JP3645013B2 - 光伝送装置、固体レーザ装置、及びこれらを用いたレーザ加工装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、加工用や医療用等の目的に使用される集束性の良好なレーザ光を伝送するための光伝送装置、該光伝送装置を備えた固体レーザ装置、及び該光伝送装置や該固体レーザ装置を組み込んだレーザ加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３５は、例えば、特公平２−５５１５７号公報に示された従来の光伝送装置を示す構成図であり、図において、８は集光レンズ、９０はレーザ光の導光路としての光ファイバ、１０はレーザ発振器、７０はレーザ発振器１０から外部に取り出されたレーザビーム、１０１はレンズホルダ、１０２は光ファイバホルダである。
【０００３】
次に動作について説明する。
図において、レーザ発振器１０から取り出されたレーザビーム７０は集光レンズ８によって光ファイバ９０の入射端面へ集光照射され、光ファイバ内へ導光される。レンズホルダ１０１、光ファイバホルダ１０２の片方、もしくは両方は移動ステージで構成されており、レーザビーム７０は、光ファイバ９０の入射端面の中心に集光されるように位置設定される。
【０００４】
一般に損失なく、例えば散乱ロス等の損失なく、光伝送を行うには、光ファイバ９０への入射角θ_inは、θ_in＜sin^-1 （NA）でなければならない。ここで、ＮＡは光ファイバ固有の数値であり、すなわちファイバコア中心の屈折率をｎ₀ 、クラッドの屈折率をｎ₁ としたときに（ｎ₀ ²−ｎ₁ ²）^1/2 で表される。一方、光ファイバ９０を介してレーザビームを伝送すると、一般にレーザ光の集束性は劣化する。レーザビームの集束性はレーザのビームウェイスト直径をｄ、ビーム開き角を２θと置いたときに、ｄθを指標として表すことができる。光ファイバを伝送した光はファイバのコア部全体に広がり、出射ビームのビーム径はほぼファイバのコア径となる。よって、集束性の良いレーザビームを光ファイバから取り出すためには、光ファイバからのレーザビームの出射角を小さくすればよいことがわかる。
【０００５】
ここで、レーザビームの集束性を表す指標について整理しておく。ビーム径には様々な定義があるが、ここではエネルギーが８６．５％（すなわち１−ｅ^-2）に集中している径をレーザビーム径として表す。一般にレーザビームで最も集束性の良いビームはＴＥＭ₀₀、すなわちガウシアンビームと呼ばれるものである。ガウシアンビームのビームウェイスト半径をω₀ 、ビーム開き角をθ₀ とすると、以下の関係が成り立つ。
【０００６】
【数１】

【０００７】
ただし、λはレーザビームの波長、ｎは屈折率であり、θ₀ はπより充分小さいとする。空気中の場合、ｎ＝１と置いて、θ₀ ＝λ／πω₀ ＝２λ／πφ₀ となる。なお、φ₀ ＝２ω₀ はレーザビームウェイスト直径である。
【０００８】
また、レーザビームの集束性を表す指標としてＭ² 値が知られている。図３６はレーザビームの集束性の指標Ｍ² を示する説明図である。図３６に示すように、波長λ、ビームウェイスト直径φ₀ 、ビームの開き角（全角）２θのビーム（実線）のＭ² 値は、同じ波長のガウスビーム（破線）を同じ直径に絞った場合の開き角（全角）２θ₀ に対する比で表される。すなわち、θ＝Ｍ² θ₀ となる。したがって、ガウスビームと該ビームが焦点距離ｆのレンズに同じ径でコリメートされて入射したとき、該ビームの集光点でのビーム径、すなわちビームウェイスト径はガウスビームのＭ² 倍となる。これより明らかなように、Ｍ² 値が小さいほど高集束のビームである。これとは逆に、ガウスビームとビーム開き角が等しい場合はビームウェイスト径がＭ² 倍となる。また、ガウスビームのＭ倍のビームウェイスト径を持つ場合はレーザビーム開き角もガウスビームのＭ倍となる。θ＝Ｍ² θ₀ をθ₀ の表式に代入してＭ² について解くと、Ｍ² ＝πφ₀ θ／２λとなる。ゆえに、同じ開き角を持つならばビームウェイスト直径の小さい方がＭ² 値が小さく、集束性の良いビーム、あるいは別の言い方をするならば、高輝度のビームであるといえる。
【０００９】
図３７は図３５と同様に特公平２−５５１５７号公報に示された光ファイバへの入射角θ_inと出射角θ_out との関係を示す説明図であり、ファイバコアの屈折率が一定の値を示すステップインデックスファイバについて成り立つものである。この図から明らかなように、入射角が小さいほど出射角が小さくなり、その結果、集束性の良い出射ビームが得られるが、６度から８度程度に出射角の下限があることがわかる。これより、従来の光伝送装置では長焦点距離のレンズで入射角２θ_inが８度以下となるようにしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光伝送装置は以上のように構成されているので、出射角の限界によりいくら集束性のよいレーザビームを入射しても光ファイバから出射されるビームの集束性には限界があるという課題があった。集束性を上げるためにファイバのコア径の小さいものを選ぶことも有効だが、コア径の小さい光ファイバでは大出力のレーザ光を伝送することができない。ＹＡＧレーザ光を例にとると、一般に５００Ｗのレーザ光を伝送するためには０．４ｍｍ以上、それ以上のパワーのレーザ光を伝送するためには０．６ｍｍ以上を有する光ファイバのコア径が必要とされている。図３５によると出射角２θ_out の最小値はせいぜい６度程度であり、前述の式より０．４ｍｍのコア径のファイバから出射されるビームのＭ² 値は最小でも３０程度、０．６ｍｍのコア径では４６程度である。このため、いくら集束性の良いビームを光ファイバに入射しても、ファイバ伝送された出射光の集束性には限界があるという課題があった。
【００１１】
さらに、従来の光伝送装置ではステップインデックスファイバを用いた場合に、集束性の高い出射レーザビームを得る設計基準を与えているが、グレーデッドインデックス光ファイバを用いて集束性の高いレーザ出射ビームを得るための設計基準については明らかになっていなかった。即ち、レーザ学会編「レーザーハンドブック」p66 〜p67 、オーム社，1982での記載に見られるように、グレーデッドインデックス光ファイバは原理的には集光レンズが隙間なく連なった配列状態と等価であり、理想的な集光レンズ配列を考えれば入射レーザ光の集束性は保存されるはずである。しかしながら、現在までにそれに関する報告はなく、光ファイバ内を伝送されたレーザビームは元々有していた、つまり入射前の集束性を失うというのが一般的な認識であった。また、上記文献、レーザ学会編「レーザーハンドブック」p66 〜p67 （オーム社，1982）の記載においては、光通信に用いるような小出力の基本モードのレーザビーム、言い換えるとＴＥＭ₀₀モードのレーザビームに対する解析がされているが、加工用の大出力レーザ、特に固体レーザに関してはマルチモードでの発振が一般的であり、マルチモードビームに対して集束性を保ったまま光ファイバ伝送を行う技術については記載がなく、これまでに全く明らかになっていないという課題があった。
【００１２】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、グレーデッドインデックス光ファイバを用いて入射ビームの集束性のレベルを変化させることなく、きわめて良好に保存して伝送することのできる光伝送装置を得ることを目的とする。
【００１３】
またこの発明は、入射レーザビームの集束性のレベルをきわめて良好に保存し、かつレーザ光の光ファイバ端面への光軸を自動的に調整できることができる光伝送装置を得ることを目的とする。
【００１４】
さらにこの発明は、出射レーザビームの集束性のレベルを容易に制御することができる光伝送装置を得ることを目的とする。
【００１５】
さらにこの発明は、発振されたレーザビームの集束性のレベルをきわめて良好に保存したまま光ファイバ伝送を行い出射することのできる固体レーザ装置を得ることを目的とする。
【００１６】
さらにこの発明は、発振されたレーザビームの集束性のレベルを容易に制御することができる固体レーザ装置を得ることを目的とする。
【００１７】
さらにこの発明は、集束性のレベルの良いレーザビームを、集束性のレベルを良好に保存したまま、あるいは出射レーザビームの集束性のレベルを制御しつつ光ファイバ伝送して加工のできるレーザ加工装置を得ることを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明に係る光伝送装置は、グレーデッドインデックス光ファイバから構成され、前記光ファイバのコア径がφ_c 、コア中心での屈折率がｎ₀ 、コア中心とコア周囲部の屈折率差が△ｎの光ファイバと、レーザ光のビームウェイストでの直径がφ₀ 、前記レーザ光のビーム開き角が２θである時、前記レーザ光が前記光ファイバの入射端面上または前記光ファイバの入射端面近傍に最小集光点を持ち、前記最小集光点での直径φinが、
０．５φ_s ≦φ_in≦１．５φ_s
ただし、
φ_s ＝（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ Δｎ）^-1/2）^1/2
となるような光ファイバ入射光学系とを備えており、集束性の劣化なく維持しながらマルチモードレーザビームを用いたレーザ光を光ファイバを介して外部へ出射するものである。
【００１９】
請求項２記載の光伝送装置は、レーザ光の波長をλとした時に、前記レーザ光の集束性πθφ₀ ／λの値が１００以下となるように設定したものである。
【００２０】
請求項３記載の発明に係る光伝送装置は、光ファイバの入射端面近傍に、開口部の直径が光ファイバのコア径φ_c よりも小さく、かつφ_s よりも大きな値を有するアパーチャを設け、このアパーチャにより光ファイバの入射端面でのレーザ光の光軸ずれの影響を最小限にとどめ、光ファイバ内でのレーザ光の集束性の劣化を起こすことなくレーザ光を伝送するものである。
【００２１】
請求項４記載の発明に係る光伝送装置は、光ファイバの出射端面近傍に、開口部の直径が光ファイバのコア径φ_c よりも小さく、かつφ_s よりも大きな値を有するアパーチャを備え、光ファイバの出射端側における反射ビームがクラッド等に照射されるのをこのアパーチャで防止し反射ビームの影響を最小限にとどめるものである。またレーザ光のモニタを容易にしつつ光ファイバ内でのレーザ光の集束性の劣化を起こすことなくレーザ光を伝送するものである。
【００２２】
請求項５記載の発明に係る光伝送装置は、光ファイバ入射光学系は集光レンズを有しており、この集光レンズは二枚または二組の集光レンズにより構成されており、この集光レンズの位置を調整することによって、レーザビームのビーム特性に合わせて光ファイバの入射端面でのレーザ光の直径を容易に調整するものである。
【００２３】
請求項６記載の発明に係る光伝送装置は、光ファイバに近接している側の集光レンズをグレーデッドインデックスレンズで構成している。このグレーデッドインデックスレンズを光ファイバに近接または密着して設置し、グレーデッドインデックスレンズの少しの位置調整により広い範囲のビーム特性に合わせて光ファイバの入射端面でのレーザ光のビーム直径を容易に調整するものである。
【００２４】
請求項７記載の発明に係る光伝送装置は、グレーデッドインデックスレンズの入射端近傍にアパーチャを備え、このアパーチャによりグレーデッドインデックスレンズならびに光ファイバの入射端面周辺への思わぬレーザ光照射を防止し、容易に光ファイバ内でのレーザ光の集束性の劣化を起こすことなくレーザ光を伝送するものである。
【００２５】
請求項８記載の発明に係る光伝送装置は、光ファイバの入射端面でのレーザ光を計測する入射ビームモニタ装置、及び光ファイバ入射光学系の位置を移動させる移動手段を備え、入射ビームモニタ装置からの出力をもとに光ファイバ入射光学系の位置を調整する。入射ビームモニタ装置により、光ファイバ入射端面でのビーム位置、ビーム直径をモニタし、これらが最適となるように集光レンズの位置を集光レンズ移動手段により制御するものである。
【００２６】
請求項９記載の発明に係る光伝送装置は、光ファイバから出射される出射ビームを計測する出射ビームモニタ装置、及び光ファイバ入射光学系の位置を移動させる移動手段を備え、出射ビームモニタ装置からの出力をもとに光ファイバ入射光学系の位置を調整する。出射ビームモニタ装置により光ファイバから出射されたビームの集光特性が最適となるように集光レンズの位置を集光レンズの移動手段により制御するものである。
【００２７】
請求項１０記載の発明に係る光伝送装置では、出射ビームモニタ装置はパワーセンサにより構成され、光ファイバの入射端面近傍にアパーチャを設置し、パワーセンサで検知されるレーザビームの出力が最大になるようにファイバ入射光学系を移動する。パワーセンサにより出射ビームをモニタし、例えば入射側に設置したアパーチャと組み合わせて出射ビームパワーが最大となるように集光レンズの位置を制御させるものである。
【００２８】
請求項１１記載の発明に係る光伝送装置では、出射ビームモニタ装置は、光ファイバの出射側の光軸からずれた位置に設置したフォトダイオードで構成され、フォトダイオードの出力が最小になるようにファイバ入射光学系を移動させるものである。
【００２９】
請求項１２記載の発明に係る光伝送装置では、出射ビームモニタ装置は、光ファイバの出射側に設置したアパーチャと前記アパーチャを通過したレーザビームを検知するパワーセンサにより構成され、アパーチャを通過するレーザビームのパワーが最大になるようにファイバ入射光学系を移動させるものである。
【００３０】
請求項１３記載の発明に係る光伝送装置は、レーザ発振器と、集光レンズと、集光レンズで収束されたレーザ光を光ファイバの入射端面に集光し、光ファイバで伝送する光ファイバ入射光学系を有する光伝送装置において、光ファイバをグレーデッドインデックス光ファイバで構成し、さらに光ファイバ入射光学系と光ファイバの入射端面の片方または両方の位置を移動させる移動手段を備え、光ファイバ入射光学系と前記光ファイバの入射端面の片方または両方の位置を移動させることによって光ファイバから出射するレーザビームの集束性を制御するものである。そして、集光レンズ、光ファイバ入射端面の片方もしくは両方の位置を最適な集光位置から故意にずらすことにより光ファイバの出射ビームの集光特性を任意に変化するものである。
【００３１】
請求項１４記載の発明に係る固体レーザ装置は、この発明に係る光伝送装置と、光源から投光された光で励起されてレーザ媒質となり、光を発生する固体素子と、レーザ媒質から発生した光をレーザ光として取り出すレーザ共振器と、レーザ共振器内に少なくともミラーと集光レンズとの組み合わせで構成される像転写光学系と、ミラーと集光レンズとをレーザ共振器の光軸方向に移動させる移動手段とを備え、ミラーと集光レンズの片方または両方を移動することにより光ファイバの入射端面に入射されるレーザビームのビーム直径を調節するものである。そして、レーザ共振器内部の像転写光学系により高集束性を持つレーザビームを発振し、そのビーム品質を保ったまま光ファイバを介して外部へレーザ光を出射するものである。
【００３２】
請求項１５記載の発明に係る固体レーザ装置は、光ファイバから出射される出射レーザビームのパワーの大きさを計測する出射ビームモニタ装置を備え、出射ビームモニタ装置からの出力をもとにミラーと集光レンズの片方または両方を移動し、出射ビームの集束性が最も良くなるよう共振器内部の像転写光学系の位置を制御するものである。
【００３３】
請求項１６記載の発明に係る固体レーザ装置は、この発明に係る光伝送装置と、光源から投光された光で励起されてレーザ媒質となり、光を発生する固体素子と、レーザ媒質から発生された光をレーザ光として取り出すレーザ共振器と、レーザ共振器内に置かれたアパーチャ及びアパーチャの開口部の直径を増減する調節手段とから構成され、固体素子を励起するためのレーザ励起入力を一定に保ったままで、アパーチャの開口直径を増減することにより、レーザ光のパワーを調節するものである。換言すると、レーザ共振器内のアパーチャの開口直径を増減させることによりレーザ発振器からのレーザ光の出力の制御を行い、あらゆるレーザ出力に対し、常にレーザビームのビーム質を保ったまま光ファイバ伝送し、出力できるものである。
【００３４】
請求項１７記載の発明に係る固体レーザ装置は、この発明に係る光伝送装置と、光源から投光された光で励起されてレーザ媒質となり、光を発生する固体素子と、レーザ媒質から発生した光をレーザ光として取り出すレーザ共振器と、レーザ共振器内に置かれたアパーチャ及びアパーチャをレーザ共振器の光軸方向に移動させる移動手段とから構成され、レーザ共振器内でレーザ励起入力一定のままで、アパーチャの位置を移動することによりレーザ光のパワーを調節するものである。換言すると、レーザ共振器内のアパーチャを移動させることによりレーザ発振器の出力制御を行い、あらゆるレーザ出力に対し、常にレーザ光のビーム質を保ったまま光ファイバ内を伝送させ外部へ出力するものである。
【００３５】
請求項１８記載の発明に係る固体レーザ装置は、固体素子と、レーザ共振器と、レーザ光としてマルチモードレーザビームを用い、レーザ光を伝送する光ファイバとからなる光伝送装置を備えた固体レーザ装置において、光ファイバをコア径φ_c 、コア中心での屈折率がｎ₀ で、コア中心とコア周囲部の屈折率差が△ｎのグレーデッドインデックス光ファイバで構成し、レーザ共振器を曲率の等しい全反射ミラーと出力ミラーで構成し、固体素子は、全反射ミラーと出力ミラー間の中心近傍に配置されたいわゆる対称型共振器内に置かれ、ある出力レベルにおけるレーザ光のビームウェイストの直径がφ_c およびレーザ光のビーム開き角が２θである時、レーザ光が光ファイバの入射端面上あるいはそのごく近傍に最小集光点を持ち、最小集光点における出力レベルのレーザ光の直径φ_inが
０．５φ_s ≦φ_in≦１．５φ_s
ただし、
φ_s ＝（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2
となるようなファイバ入射光学系を備えているものである。φ₀ θの大きな出力レベルにおいて、ファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径が
（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2 ±５０％
となるようにレーザ光を集光し、レーザ出力が変化しても収束性の変化が少ないレーザビームを光ファイバから外部へ出射するものである。
【００３６】
請求項１９記載の発明に係る固体レーザ装置は、固体素子と、レーザ共振器と、光伝送装置とを備えた固体レーザ装置において、光伝送装置内の光ファイバをコア径φ_c 、コア中心での屈折率がｎ₀ でコア中心とコア周囲部の屈折率が△ｎのグレーデッドインデックス光ファイバで、また固体素子を薄板状のスラブ形状で構成する。レーザ共振器から取り出されたレーザ光は、ｘ軸ｙ軸２つの方向で集光特性の異なる異方性を持っており、ｘ軸方向ｙ軸方向のそれぞれにおいてレーザ光のビームウェイストの直径がφ_0x、φ_0y、レーザ光のビーム開き角が２θ_x 、２θ_y である時、レーザ光が光ファイバの入射端面上あるいはそのごく近傍にｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれにおいて最小集光点を持ち、最小集光点での直径φ_inx 、φ_iny がそれぞれ
０．５φ_sx≦φ_inx ≦１．５φ_sx、０．５φ_sy≦φ_iny ≦１．５φ_sy
ただし、
φ_sx＝（φ_c φ_0xθ_x （２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2
φ_sy＝（φ_c φ_0yθ_y （２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2
となるようなファイバ入射光学系を備え、ｘ方向とｙ方向で集光性能が異なる発振器に対しファイバ伝播後も全体として集光特性が保存されたレーザビームを出射するものである。
【００３７】
請求項２０記載の発明に係る固体レーザ装置は、固体素子と、レーザ共振器と、光伝送装置を備えた固体レーザ装置において、光伝送装置内の光ファイバをコア径φ_c 、コア中心での屈祈率がｎ₀ でコア中心とコア周囲部の屈折率差が△ｎのグレーデッドインデックス光ファイバで、また固体素子を薄板状のいわゆるスラブ形状で構成する。レーザ共振器から取り出されたレーザ光はｘ軸ｙ軸の２つの方向で集光特性の異なる異方性を持っておりｘ軸方向ｙ軸方向のそれぞれにおいて、レーザ光のビームウェイストの直径がφ_0x、φ_0y、レーザ光のビーム開き角が２θ_x 、２θ_y である時、レーザ光が光ファイバ入射端面上あるいはそのごく近傍に最小集光点を持ち、φ_0xθ_x とφ_0yθ_y の大きな方の軸の最小集光点での直径φ_inが
０．５φ_s ≦φ_in≦１．５φ_s
ただし、
φ_s ＝（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2
また、 φ₀ θ＝ MAX（φ_0xθ_x ，φ_0yθ_y ）
となるようなファイバ入射光学系を備えたものであり、非常に簡単なレンズ構成で、光ファイバ伝播後も全体として集光性能が大きく損なわれないレーザビームを出射するものである。
【００３８】
請求項２１記載の発明に係るレーザ加工装置は、この発明に係る光伝送装置、または固体レーザ装置と、光伝送装置または固体レーザ装置から出射されたレーザ光を集光する集光光学系とから構成され、集光光学系で集光されたレーザ光を集束性を保ったまま被加工物に照射し高精度のレーザ加工を行なうものである。
【００３９】
請求項２２記載の発明に係るレーザ加工装置は、この発明に係る光伝送装置または固体レーザ装置から構成され、光伝送装置または固体レーザ装置から出射されたレーザ光を集束性を保ったまま被加工物に直接照射し、レーザ焼き入れなどの比較的広い面積の加工を行なうものである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、８、１０、７０、１０１、１０２で示した構成要素は図３５に示した従来の光伝送装置の構成要素の構成および機能と同一なので、同一の参照番号を用い、その説明を省略する。９はコアの屈折率分布がほぼ二乗分布となっている光ファイバ（グレーデッドインデックス光ファイバ）である。１０１は集光レンズホルダであり光軸方向へ手動で位置調整できる移動ステージと径方向へ手動で位置調整できる十字動ステージの組み合わせから構成されている。光ファイバ入射に際して、図３５に示した従来例の光伝送装置では、集光レンズ（光ファイバ入射光学系）８に長焦点レンズを用いて入射角度θ_inを８度以下に規定していたのに対し、この実施の形態１の光伝送装置では、光ファイバ９の入射端面上あるいはそのごく近傍にレーザビーム７０の最小集光点を持ちその直径φ_inが
０．５φ_s ≦φ_in≦１．５φ_s
ただし、
φ_s ＝（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ Δｎ）^-1/2）^1/2
となるように集光レンズ８の焦点距離及び位置を設定している。ここで、φ_c 、ｎ₀ 、Δｎはそれぞれ光ファイバ９のコア直径、コア中心での屈折率、コアとクラッドの屈折率差であり、φ₀ 、θはレーザ発振器１０から発生したレーザビーム７０のビームウェイスト直径およびビーム開き角（半角）を示す。なお、図に示す実施の形態１の光伝送装置では、レーザ発振器１０のレーザ出口近傍にレーザビーム７０のビームウェイストがあるとしている。
【００４１】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたレーザビーム７０は、集光レンズホルダ１０１の位置調整によってレーザビームが光ファイバ入射端面の中心に集光するように、集光レンズ８により集光される。
【００４２】
図２は、光ファイバ内でのレーザビームの伝播状況を示す説明図である。図において、光ファイバ９内でのレーザビームの伝播状況は、図２に示すように概念的に表すことができる。即ち、光ファイバ９の入射端面で最小集光点を持つようにレーザビーム７０が集光された場合、図２の最下段に示すように最小集光点における径φ_inがある値φ_s よりも大きいときには（φ_in＞＞φ_s ）、光ファイバ９内で一旦入射径よりも小さな直径に集光され、以下発散、集光を繰り返しながら光ファイバ９内を伝送される。
【００４３】
一方、図２の最上段に示すように最小集光点における径φ_inがφ_s よりも小さいときには（φ_in＜＜φ_s ）、レーザビーム７０は光ファイバ９内でまず発散し、以下集光、発散を繰り返しながら伝送される。
これらに対し、図２の中段に示すように最小集光点における径φ_inがφ_s にほぼ一致する場合は（φ_in＝φ_s ）、光ファイバ９内でレーザビーム径がほとんど変化することなく伝送される。
【００４４】
グレーデッドインデックス光ファイバを純粋の集光レンズの集合配列として考察すると、図２に示す３つのどの伝送形態でも集束性が理論的には保存されるが、実際上、グレーデッドインデックス光ファイバをレンズとして考えた場合の収差成分やビームの分散などから、図２の最上段や最下段の伝送形態では集束性が失われることが予想される。
【００４５】
また、大出力ファイバ伝送では光ファイバの破壊も考慮に入れる必要があり、光ファイバ内に集光点を持つ伝送形態では耐伝送パワー特性に問題が生ずることが予想される。
以上の考察より、高集束性レーザビームの伝送には図２の中段に示すレーザビームの伝送形態が有利であると結論づけられる。
【００４６】
なお、「レーザーハンドブック」（p66 〜p67 、日本レーザ学会編、オーム社）に記載されてるように、光通信に用いるような小出力の基本モードのレーザビーム、換言すると、ＴＥＭ₀₀モードのレーザビームに対するφ_s については解析的に導出できることが知られている。
【００４７】
しかし、加工に用いる大出力レーザ、特に固体レーザではマルチモードでの発振が一般的であり、マルチモードレーザビームに対して集束性を保ったまま光ファイバ伝送を行う技術はこれまでに明らかになっていなかった。
【００４８】
我々はこの高集束ビーム光ファイバ伝送の研究を進め、前述のＭ² 値を用いて一般のビームに対するφ_s を導出する方法を開発し、さらにレーザビームのビームウェイスト径とビーム開き角からのφ_s の導出式を見いだした。
【００４９】
まず、Ｍ² 値で集束性が表現されているレーザビームを、ＴＥＭ₀₀モードのレーザビームと同等に計算するために以下の近似を行う。ただし、ここでは一応エネルギーが８６．５％集中している径をビーム直径として計算を行う。ビーム開き角θを波長λ₁ とＭ² 値の関数としてθ（λ₁ ，Ｍ² ）と表すと、前述のように
θ（λ₁ ，Ｍ² ）＝Ｍ² ・θ（λ₁ ，１）
となる。
【００５０】
一方、異なる波長の２つのガウスビームを同じ直径に絞ると、開き角は波長に比例するので、
θ（λ₂ ，１）＝（λ₂ ／λ₁ ）・θ（λ₁ ，１）
となる。ここでλ₂ ＝Ｍ² ・λ₁ とおくと、
θ（λ₁ ，Ｍ² ）＝θ（λ₂ ，１）
となる。これより、Ｍ² 値で集束性が定義されているビームの挙動は波長をＭ² ・λ₁ に置き換えたガウスビームによって近似できること明らになった。
【００５１】
上記した近似を用いて、Ｍ² 値で集束性が表現されるレーザビームに対するφ_s の導出を行う。なお、以下の導出式においてＭ² ＝１とすると、従来から知られているガウスビームに対するφ_s となる。グレーデッドインデックス光ファイバは二乗屈折率分布を持っており、例えば単行本（「Optical Electronics ，4th Edition 」、A Yariv 著、Saunders College Publishing，harcourt Brace Jovanovich College Publishers ，p42 ，1991）に示されているように、屈折率を以下のように表現できる。
【００５２】
【数２】

【００５３】
ここで、ｎ（ｒ）はコア中心からｒの位置での屈折率、ｎ₀ はコア中心での屈折率、ｋ＝２πｎ／λ₀ は波数、ｋ₂ は屈折率分布に応じた定数である。長さｌのグレーデッドインデックス光ファイバの光線行列は
【００５４】
【数３】

【００５５】
で表される。ガウスビームの伝播は、ｑという指標と光線行列によって記述できることが知られており、ガウスビームの曲率をＲ、ビーム半径をω、波長をλ、光ファイバの屈折率をｎとすると、
【００５６】
【数４】

【００５７】
と表される。この式を、前節の近似を用いてマルチモードビームに拡張して考えると、
【００５８】
【数５】

【００５９】
となる。ここで、グレーデッドインデックス光ファイバ内でビーム径が変化しないωの条件を求めるには、任意の長さのグレーデッドインデックス光ファイバの入射端に平面波を入射し、出射端で同じビーム径の平面波が得られる条件を求めればよい。平面波の場合にはＲ＝∞、すなわち１／Ｒ＝０なので、上式の第二項のみを考えればよいことになる。ある光学系に入射するビームと出射するビームの指標をそれぞれｑ₁ 、ｑ₂ とおくと、
【００６０】
【数６】

【００６１】
であるので、ｑ₁ ＝ｑ₂ ＝−ｉ（πｎω_s ²／Ｍ² λ）と置いて、ω_s について解き、以下の解を得る。
【００６２】
【数７】

【００６３】
グレーデッドインデックス光ファイバのコア径をφ_c 、コア中心とコア端部間の屈折率差をΔｎとすると、
【００６４】
【数８】

【００６５】
となる。この式をω_s の表式に代入して、ｎがｎ₀ にほぼ等しいことを考慮すると、
【００６６】
【数９】

【００６７】
となるので、結局マルチモードビームに対するφ_s ＝２ω_s は次式で表現される。
【００６８】
【数１０】

【００６９】
以上より、Ｍ² で集束性が表現されているビームに対する高集束光ファイバ伝送のためのファイバ入射径の基準となるφ_s が求められた。
【００７０】
次に、通常レーザビームの集束性の指標として用いられているビームウェイスト径、ビーム開き角θによるφ_s の表式を導出する。前述のように、ビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θとＭ² 値の間には、Ｍ² ＝πφ₀ θ／２λの関係がある。これをφ_s の表式に代入すると、
【００７１】
【数１１】

【００７２】
となる。これにより、ビームウェイスト径とビーム開き角によって集束性が表現されているビームに対する、高集束光ファイバ伝送のための光ファイバ入射径の基準となるφ_s が求められた。
【００７３】
ここでφ_s の計算例を示す。例えば、ｎ₀ ＝１．４７３、Δｎ＝０．０２１コア径４００μｍのグレーデッドインデックス光ファイバにＭ² 値が２０のＮｄ：ＹＡＧレーザビーム（波長λ＝１．０６４μｍ）を伝播させることを考えると、φ_s は１４８μｍとなる。このときファイバへの入射角度２θinは約１０．５度となる。
【００７４】
図３は、グレーデッドインデックス光ファイバ９の入射端に最小集光点を持つようにレーザビーム７０を集光し、集光レンズの焦点距離を変化させて出射ビームのＭ² 値（Ｍ² _out）を測定した実験結果を示す。図に示す実験条件では入射ビームの直径φ_inは入射角度２θ_inの逆数に比例する。図により入射ビーム径をφ_s 付近にすると出射ビームのＭ² 値（Ｍ² _out）が入射ビームのＭ² 値（Ｍ² _in ）とほとんど同じ値で出射され、最も集束性の良いレーザビームが得られることがわかる。また、図３５に示した従来の光伝送装置の例で説明したレーザビーム７０及び光ファイバ９０を用いて入射角度２θ_inを８度以下にすると、光ファイバ９０からの出射ビームの集束性が悪化し、従来例で説明した理想的なステップインデックスファイバに対する入出射特性の検討結果とは全く異なるものとなっている。
【００７５】
さらに、図３に示す実験結果では、入射ビームの直径φ_inがφ_s ±５０％の範囲（即ち、０．５φ_s ≦φ_in≦１．５φ_s ）では入射ビームの集束性をあまり劣化させることなく光ファイバ伝送可能であることがわかる。
【００７６】
また、上記実験結果よりレーザビームの集光位置がファイバコア中心からずれると出射ビームの集束性が劣化すること、ならびにグレーデッドインデックス光ファイバからの出射ビームの集束性がよいほど出射ビームのビーム開き角θ_out （半角）が小さく、ほぼＭ² _out値の平方根に比例することがわかった。
【００７７】
以上のように、この実施の形態１においては、ファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ち、その直径がφ_s ±５０％の範囲となるように集光レンズ８の焦点距離及び位置を設定しているので、これまでの議論から明らかなように、光ファイバ９内で集束性を保ったままレーザビーム伝送が行われる。その結果、レーザ発振器で発生された集束性の良いレーザビームが、その集束性を保ったまま光ファイバ９から出射される。
【００７８】
なお、実施の形態の光伝送装置は、上述したようにガウスビームだけでなく、Ｍ² が１以上のマルチモードビームに対しても集束性を保ったまま光ファイバ伝送が可能な構成を示すものであるが、Ｍ² ＜５０、望ましくはＭ² ＜４０のマルチモードビームに対して特に有効である。換言すれば、Ｍ² ＝πφ₀ θ／２λの関係から、πφ₀ θ／λが１００以下、のぞましくは８０以下のレーザビームに対して特に有効である。
【００７９】
また、実施の形態１の光伝送装置では、レーザ発振器１０のレーザ出口近傍にレーザビーム７０のビームウェイストがあるとしたが、この条件からはずれる場合でも、あらかじめ任意の焦点距離ｆ₁ を持つ集光レンズで集光したときのビームウェイスト径φ₁ とビーム開き角θ₁ を測定すれば、容易にφ_s ならびにφ_s を与える焦点距離ｆ_s を求めることができる。すなわち、ビームウェイスト径とビーム開き角の積がレンズ系を通過しても不変である性質を利用して、φ₁ θ₁ ＝φ₀ θを用いてφ_s を導出し、φ＝２ｆθからｆ_s ＝ｆ₁ φ_s ／φ₁ となる。また、ビームウェイストがレーザ発振器１０内にある場合、ビーム開き角が極端に大きくなければレーザ出口でのビーム直径を用いて計算しても誤差は少ないので、カタログデータのビーム径、ビーム開き角から計算しても良い。
【００８０】
また、実施の形態１の光伝送装置では、集光レンズホルダ１０１の構成としてＺ軸移動ステージと十字動ステージの組み合わせを用いたが、若干の調整機能があれば他の形態のホルダを用いても良い。
【００８１】
さらに、実施の形態１の光伝送装置では、集光レンズホルダ１０１に調整機構を設けているが、光ファイバホルダ１０２に調整機構を設けても良い。
また、集光レンズ８により、レーザビーム７０を光ファイバ９の入射端面上またはその近傍に最小集光点を持つように集光し、かつ最小集光点でのレーザビーム径が所定値となるようにしていたが、集光レンズ８の変わりに、ミラー等により同様の機能を実現してもよい。
【００８２】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１に示す実施の形態１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１１は開口直径がφ_s よりも大きく、ファイバコア直径φ_c よりも小さくなるように設定されているアパーチャであり、開口中心がファイバ９のコア中心とほぼ一致し、光ファイバ９の入射端面に近い位置に設置されている。
なお、図では詳細を省略しているが、集光レンズホルダ１０１は実施の形態１の光伝送装置の場合と同様に、光軸方向へ手動で位置調整できる移動ステージと径方向へ手動で位置調整できる十字動ステージとを組み合わせた構成となっている。
【００８３】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８によりアパーチャ１１を通過して光ファイバ入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送し、光ファイバ９の出射端より出力される。また、光ファイバ９の中心からずれたレーザビームはアパーチャ１１によって遮断される。
【００８４】
以上のように、この実施の形態２においては、図で示したように光ファイバ９へのレーザビーム７０の光軸調整の際に、極端にレーザビームの位置ずれが生じた際、光ファイバ９のクラッドや被覆等にレーザビーム７０が照射されることをアパーチャ１１によって防止できる。また、光ファイバ９の中心からのレーザビームの位置ずれや、集光レンズ８と光ファイバ９の入射端の距離の誤差が生じたときに、アパーチャ１１に当たって光ファイバ９へ入射されるレーザビームの出力が減少するので、光ファイバ出射端にパワーメータ等を設置して出射レーザビームのパワーをモニタし、パワーメータの出力に基づいて容易に集光レンズ８の位置調整を行うことができる。
【００８５】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１に示す実施の形態１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。
【００８６】
図において、１２は開口直径がφ_s よりも大きく、ファイバコア直径φ_c よりも小さくなるように設定されているアパーチャであり、開口中心が光ファイバ９のファイバコア中心とほぼ一致し、光ファイバ９の出射端に近い位置に設置されている。
【００８７】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８により光ファイバ９の入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、光ファイバ９の出射端よりアパーチャ１２を通過して外部へ出力される。
【００８８】
以上のように、この実施の形態３においては、光ファイバ９からの出射光を例えば加工等に用いた場合に、加工対象物からレーザビームが光ファイバ９の出射端へ反射された場合でも、アパーチャ１２により光ファイバ９のクラッドや他の思わぬ場所へのレーザビームの照射が防げられ、光ファイバ９の損傷を防止することができる。また、光ファイバ９の中心からのレーザビーム７０の位置ずれや集光レンズ８と光ファイバ９の入射端の距離の誤差が生じた場合に、光ファイバ９から出射されるレーザビームの開き角が大きくなってアパーチャ１２に当たる。これによりアパーチャ１２を通過するレーザビームの出力が減少するので、アパーチャ１２の出力側にパワーメータ等を設置して出射されるレーザビームのパワーをモニタし、モニタの結果をもとに容易に集光レンズ８の位置調整を行うことができる。
【００８９】
実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１に示す実施の形態１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、８１、８２はそれぞれ集光レンズ（光ファイバ入射光学系）であり、１０１はそれぞれの集光レンズ８１、８２を搭載した集光レンズホルダである。
【００９０】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８１、８２により光ファイバ９の入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送し、光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。
【００９１】
以上のように、この実施の形態４においては、２つの集光レンズ８１、８２間の距離を調整することにより光ファイバ９の入射端面でのレーザビームの直径を容易に変更できるので、既存の集光レンズを用いて安価に光伝送装置を得ることができる。また、レーザ発振器１０から出射されたレーザビーム７０のビームウェイスト径やビームウェイストの位置、ビーム開き角が変化した場合でも、容易にφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inを得ることができる。
【００９２】
なお、本実施の形態４の光伝送装置では、集光レンズホルダ１０１を２つに分離した形の場合を示したが、一体型としても良い。
【００９３】
実施の形態５．
図７は、この発明の実施の形態５に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１に示す実施の形態１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、８３は光ファイバ９の入射端面に近接もしくは密着して設置されたグレーデッドインデックスレンズであり、グレーデッドインデックスレンズ８３の両端面はレーザビーム７０の波長に対して無反射のコーティングが施されている。１０３はグレーデッドインデックスレンズホルダである。グレーデッドインデックスレンズ８３は、その中心軸が光ファイバ９のコア中心に一致するように設置されている。
【００９４】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８によりグレーデッドインデックスレンズ８３の端面に集光され、さらにグレーデッドインデッスクレンズ８３により光ファイバ９の入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。
【００９５】
以上のように、この実施の形態５においては、前述した実施の形態４の光伝送装置に比べ、二枚の集光レンズ８および８３のうちの一つに、焦点距離の短いものが実現できるグレーデッドインデックスレンズ８３を用いるため、径を大きく変化させることができ、従って、集光レンズ８とグレーデッドインデックスレンズ８３の位置を少し動かすだけで光ファイバ９の入射端面でのレーザビーム７０のビーム径を大きく変化させることができる。この結果、レーザ発振器１０から出射されたレーザビーム７０の集束性の変化があった場合でも容易に対応できる。
【００９６】
なお、上記した実施の形態５の光伝送装置では、単にグレーデッドインデックスレンズ８３を光ファイバ９の入射端面の近接もしくは密接配置としたが、グレーデッドインデックスレンズ８３と光ファイバ９とをオプティカルコンタクトを用いて結合させてもよい。また、グレーデッドインデックスレンズ８３と光ファイバ９との間にインデックスマッチング液を介して結合させてもよい。この場合、グレーデッドインデックスレンズ８３と光ファイバ９の間の端面での反射損失をなくすことができ、伝送効率がさらに上昇するという効果がある。
【００９７】
実施の形態６．
図８は、この発明の実施の形態６に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図５に示す実施の形態３の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１３はアパーチャであり、その開口中心はグレーデッドインデックスレンズ８３の光軸とほぼ一致し、グレーデッドインデックスレンズ８３に近接して設置されている。
【００９８】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８によりアパーチャ１３を通過してグレーデッドインデックスレンズ８３端面に集光され、さらにグレーデッドインデッスクレンズ８３により光ファイバ９の入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送し、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。また、本アパーチャ１３によりグレーデッドインデックスレンズ８３の光軸からずれたレーザビームは遮断される。
【００９９】
以上のように、この実施の形態６においては、グレーデッドインデックスレンズ８３へのレーザビームの光軸調整の際に、極端にレーザビーム７０の位置ずれが生じた場合でも光ファイバ９のクラッドや被覆等に該レーザビーム７０が照射されることを防止できる。また、グレーデッドインデックスレンズ８３の光軸中心からレーザビーム７０の位置ずれや集光レンズ８と光ファイバ９の入射端の距離の誤差が生じた際に、アパーチャ１３にレーザビームが当たり、その分光ファイバ９へ入射されるレーザビームのパワーが減少する。この場合、光ファイバ９の出射端にパワーメータ等を設置して出射されたレーザビームのパワーをモニタすることにより、容易に集光レンズ８の位置調整を行うことができる。
【０１００】
実施の形態７．
図９は、この発明の実施の形態７に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図８に示す実施の形態６の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図においては、グレーデッドインデックスレンズ８３および光ファイバ９のそれぞれの入射端近傍にアパーチャ１３および１１を設置した構成を示す。
【０１０１】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射された、ビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８によりアパーチャ１３を通過してグレーデッドインデックスレンズ８３の端面に集光され、さらにグレーデッドインデッスクレンズ８３によりアパーチャ１１を通過して光ファイバ入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φinに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。
【０１０２】
以上のように、この実施の形態７においては、アパーチャ１１を設けたことにより、グレーデッドインデックスレンズ８３の光軸および光ファイバ９のコア中心からずれたレーザビームは遮断される。この実施の形態７の光伝送装置によると、グレーデッドインデックスレンズ８３の光軸と光ファイバ９のコア中心の両方に光軸が合致したレーザビームのみが光ファイバ９内を伝送されるので、光軸ずれによる光ファイバ９の損傷防止の機能がより完全なものとなる。また、光ファイバ９の出射端にパワーメータ等を設置して出射されるレーザビームのパワーモニタをすることにより、容易に集光レンズ８又はグレーデッドインデックスレンズ８３の位置調整を行うことができる。
【０１０３】
実施の形態８．
図１０は、この発明の実施の形態８に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１に示す実施の形態１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１４はレーザビーム７０のごく一部のパワーを反射させるビームスプリッタ、１５はビーム検出面とビームスプリッタ１４間の距離が光ファイバ９の入射端面とビームスプリッタ１４間との距離に等しくなるように設置された入射ビームモニタ装置であり、例えば、スリットを走査させ、スリット透過後のレーザビーム７０のパワーを検出することにより、レーザビーム７０の位置及びビーム直径を算出する装置である。１０４は入射ビームモニタ装置１５で検知されるレーザビーム径及びビーム位置が設計値になるようにレンズホルダ１０１を移動させるレンズホルダ移動装置（移動手段）である。
【０１０４】
なお、図の光伝送装置には明示していないが、レンズホルダ移動装置１０４はＤＣモータあるいはピエゾ素子から構成されており、例えば実施の形態１の光伝送装置内のレンズホルダ１０１を構成する移動ステージおよび十字動ステージに直接に接続され自動的に集光レンズ８の位置の調整を行うことができるように構成されている。
【０１０５】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８によりそのほとんどのパワーはビームスプリッタ１４を透過して光ファイバ９の入射端面に集光される。ビームスプリッタ１４でごく一部反射されたレーザビームは入射ビームモニタ装置１５上に光ファイバ９の入射端面と同じ直径で集光される。入射ビームモニタ装置１５ではビーム直径およびビーム位置を算出し、ここで得られたデータをレンズホルダ移動装置１０４へ送信し、これを元にレンズホルダ移動装置１０４はＤＣモータあるいはピエゾ素子などで集光レンズホルダ１０１を移動させる。具体的には、例えばレーザビーム７０のビーム位置に関しては所定の設定値におけるＸＹ方向からのずれ量によってレンズホルダ１０１の移動量を決定する。また、光軸方向の最適位置に関しては、レンズホルダ１０１内の移動ステージを移動させてビーム直径が最小となる点を探索する。この結果、レーザビーム７０は光ファイバ９の入射端面の中心に、φ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、このレーザビームは光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。
【０１０６】
以上のように、この実施の形態８においては、レーザビーム７０の最適な集光が自動的に行われるとともに、レーザビーム７０の方向が仮に変化してもそれに追随して光軸調整が自動的に行われる。
【０１０７】
実施の形態９．
図１１は、この発明の実施の形態９に係る光伝送装置９００を示す構成図である。図において、図６および図１０に示す実施の形態４および８の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、図１０に示した実施の形態８の光伝送装置の集光レンズ８の代わりに、図６に示した実施の形態４の光伝送装置の構成と同様に、８１および８２で示される２個あるいは２組の集光レンズを用いている。
【０１０８】
次に動作について説明する。
この実施の形態９の光伝送装置によると、光ファイバ９の入射端面でのレーザビーム７０のビーム直径とビーム位置をモニタしながら、入射ビームモニタ装置１５からの出力を基にレンズホルダ移動装置１０４により２つの集光レンズ８１、８２の位置を変えることが可能である。
【０１０９】
以上のように、この実施の形態９においては、ビームウェイストやビームの集束性が仮に変化しても、自動的に追随して光ファイバ９の入射端面でのビーム径がφ_s ±５０％の範囲内に入るようにしてコア中心に集光させることができる。
【０１１０】
実施の形態１０．
図１２は、この発明の実施の形態１０に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１０に示す実施の形態８の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１５は、図１０に示した実施の形態８の光伝送装置と同様、入射ビームモニタ装置を示すが、この実施の形態１０の光伝送装置では、例えばＣＣＤカメラのような画像入力装置を備えており、光ファイバ９の入射端面を直接観測している。
【０１１１】
次に動作に関しては、入射ビームモニタ装置１５で、光ファイバ９に入射するレーザビーム７０のパワーを観測する以外の動作は実施の形態８の光伝送装置の動作と同様であるのでここでは説明を省略する。
【０１１２】
以上のように、この実施の形態１０においては、実施の形態８の光伝送装置と同様、光軸調整を自動的に行うことができる。さらに、この実施の形態１０の光ファイバ９の入射端面を直接観測しているので、ファイバ９の端面の損傷などのモニタも同時に行うことができ、安全装置としても用いることができる。
【０１１３】
実施の形態１１．
図１３は、この発明の実施の形態１１に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１１に示す実施の形態９の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１４は光ファイバ９から出射されたレーザビームのごく一部を反射させるビームスプリッタであり、１６は光ファイバ９から出射されたレーザビームをモニタする出射ビームモニタ装置で、例えば、スリットを走査させ、出射ビームのスリット透過後のパワーを検出することにより、ビーム直径を測定するモニタである。
【０１１４】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８１、８２により光ファイバ９の入射端面で、φ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、このレーザビーム７０は光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。光ファイバ９から出射されたビームの大部分はビームスプリッタ１４を透過して加工等に用いられるが、ごく一部のパワーはビームスプリッタ１４により反射されて出射ビームモニタ装置１６に入射される。出射ビームモニタ装置１６は出射ビームのビーム直径を計測し、そのデータをレンズホルダ移動装置１０４に出力する。レンズホルダ移動装置１０４は、出射ビームモニタ装置１６から送られてきたデータを受け取り、出射ビームモニタ装置１６で計測されるビーム直径が最小となるように集光レンズ８１、８２の位置を調節する。
【０１１５】
以上のように、この実施の形態１１においては、前述のように、レーザビームの集束性が良いほどビーム開き角が小さく、その結果出射ビームモニタ装置１６で計測されるビーム直径が小さくなるので、上記の手法で最適な入射条件が設定可能となる。また、上記の実施の形態１１の光伝送装置では、同時に出射ビームの集束性が概略常時モニタできる利点がある。なお、この実施の形態１１の光伝送装置では、出射ビームを直接ビームスプリッタ１４へ入射したが、光ファイバ９の出射側に集光レンズを設置し、一旦レーザビームをコリメートしてからビームスプリッタ１４に入射しても良い。
【０１１６】
実施の形態１２．
図１４は、この発明の実施の形態１２に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１３に示す実施の形態１１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１１は開口直径がφ_s よりも大きく、ファイバコア直径φ_c よりも小さくなるように設定されているアパーチャであり、その開口中心がファイバ９のコア中心とほぼ一致し、光ファイバ９の入射端に近い位置に設置されている。１４は光ファイバ９から出射されたレーザビームのごく一部を反射させるビームスプリッタ、１６１はパワーセンサである。
【０１１７】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射された、ビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８１、８２によりアパーチャ１１を通過して光ファイバ９の入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送し、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。また、アパーチャ１１を配置したことにより光ファイバ９の中心からずれたレーザビームはこのアパーチャ１１により遮断される。光ファイバ９からの出力の大部分はビームスプリッタ１４を透過し、ごく一部のパワーのみ反射されパワーセンサ１６１に入射される。出射レーザビームのパワーのデータはレンズホルダ移動装置１０４にフィードバックされ、出射レーザビームのパワーが最大になるように集光レンズ８１、８２の位置が調整される。
【０１１８】
以上のように、この実施の形態１２においては、図に示すような簡単な構成で集光レンズの位置調整を自動的に行うことができる。また、図には明示していないが、出射レーザビームのパワーが極端に落ちたときにレーザ発振器１０を停止するフィードバックを行うことにより、光ファイバを損傷から守るための安全装置にもなる。
【０１１９】
実施の形態１３．
図１５は、この発明の実施の形態１３に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１３に示す実施の形態１１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１６２は光ファイバ９の出射側の光ファイバ９の光軸からずれた位置に設置されたフォトダイオードである。
【０１２０】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８１、８２により光ファイバ９の入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。光ファイバ９へのレーザビーム７０の入射条件が設定された値の範囲内にある場合、光ファイバ９から出射されたレーザビームはほとんどフォトダイオード１６２に検知されないが、光ファイバ９への入射条件が設定値よりもずれている場合には出射ビームの開き角が大きくなる。このためフォトダイオード１６２に入力されるレーザビームのパワーが増大する。フォトダイオード１６２からの出力はレンズホルダ移動装置１０４に入力され、レンズホルダ移動装置１０４はフォトダイオード１６２の出力が最小になるように集光レンズ８１、８２の位置を調整制御する。
【０１２１】
以上のように、この実施の形態１３においては、実施の形態１２と同様に図に示した簡単な構成でファイバ９の入射端の光軸調整を自動的に行うことができる。
【０１２２】
実施の形態１４．
図１６は、この発明の実施の形態１４に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１３に示す実施の形態１１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１７は光ファイバ９の出射端近くに設置したアパーチャ、１６１はパワーセンサである。
【０１２３】
次に動作について説明する。
アパーチャ１７の直径は、レーザビーム７０が光ファイバ９の中心に入射し、レーザビームの直径がφ_s ±５０％の範囲であるときにわずかにレーザビームを遮断するように設定している。
【０１２４】
以上のように、この実施の形態１４においては、入射ビーム７０の位置ずれ等が生じたときにアパーチャ１７で遮断されるパワーが増大し、パワーセンサ１６１の出力が減少するため、パワーセンサ１６１の出力が最大となるようにレンズホルダ移動装置１０４により集光レンズ８１、８２の位置を調整制御することにより、図に示した簡単な構成でファイバ９の入射端面でのレーザビーム径の調整、ビーム位置の調整ができる。
【０１２５】
実施の形態１５．
図１７は、この発明の実施の形態１５に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１０に示す実施の形態８の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１８は集束性設定機構であり、例えばボリューム、回転スイッチ、あるいはディジタル入力機器などで構成され、これによりＭ² を設定するものである。
【０１２６】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８により光ファイバ入射端面に、φ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光される。この条件を満足するようにレーザビームが集光された場合、これまでの他の実施の形態の説明で述べたように光ファイバ９の中心にレーザビーム７０が入射したときは集束性を保って光ファイバ９内を伝送されるが、中心からずれた位置にレーザビーム７０が入射した場合は集束性の劣化が生ずる。
【０１２７】
図１８は、コア直径φ_c ＝４００μｍ、中心の屈折率ｎ₀ ＝１．４７３、コアとクラッドの屈折率差Δｎ＝０．０２１のグレーデッドインデックス光ファイバにＭ² 値が２０のＮｄ：ＹＡＧレーザビーム（波長λ＝１．０６４μｍ）を伝播させた実験における、光ファイバ９の入射端面での径方向のレーザビームの位置ずれ量△ｘと出射ビームの集束値Ｍ² _outとの関係を示す説明図である。この条件では前述のようにφ_s が１４８μｍとなるので、入射されたレーザビームの位置が光ファイバ９のコア中心から８０μｍずれた場合であってもレーザビームのすべてがこの光ファイバ９のコア内に導入さる。よって、この位置ずれによる光ファイバ９からの出射されるレーザビームのパワーの減少は無い。これより、この実施の形態１５では、レーザビーム７０の入射位置を８０μｍの範囲で移動させることにより出射レーザビームの集束性を制御することができ、Ｍ² 値で言うと２０から５０の範囲の出射レーザビームを得ることができる。
【０１２８】
そこで、この実施の形態１５の光伝送装置では、集束性設定機構１８で指定した値に従い、あらかじめ求めてあるずれ量（△ｘ）と出射レーザビーム集束性（Ｍ² 値）の関係に基づいてレンズホルダ移動装置１０４、レンズホルダ１０１により集光レンズ８の位置を移動させ、その結果、光ファイバ９より集束性設定機構１８で指定した集束性を持つビームを出射させる。
【０１２９】
以上のように、この実施の形態１５においては、容易に出射レーザビームの集束性を変化させることができ、溶接、切断など用途に応じて最適なパワーの出射レーザビームを容易に得ることができる。
【０１３０】
なお、この実施の形態１５の光伝送装置では光ファイバ９の入射端面での径方向のレーザビームのずれ量△ｘと出射レーザビームのＭ² _out値との関係を示したが、レーザビーム７０の最小集光点が光ファイバ９の軸方向にずれた場合にも、出射レーザビームのＭ² _out値が変化する。よってこれを利用して、集束性設定機構１８で指定した値に従い、あらかじめ得られている軸方向のずれ量と出射レーザビームの集束性（Ｍ² 値）との関係に基づいて、レンズホルダ移動装置１０４、レンズホルダ１０１により集光レンズ８の位置を軸方向に移動させ、その結果、集束性設定機構１８で指定した集束性を持つレーザビームを光ファイバ９から出射させてもよい。
【０１３１】
また、この実施の形態１５の光伝送装置では集光レンズ８により光ファイバ９の入射端面、またはその近傍で、φ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inにレーザビームを集光した例を示したが、この条件を満たさないレーザビームに対しても、この実施の形態１５と同様にして集光性の制御が行える。
【０１３２】
実施の形態１６．
図１９は、この発明の実施の形態１６に係る光伝送装置を示す構成図である。図において、図１７に示す実施の形態１５の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１０５は光ファイバホルダ移動装置（移動手段）であり、該光ファイバホルダ移動装置１０５上に光ファイバホルダ１０２を搭載し、光ファイバホルダ１０２の位置を移動調整する。
【０１３３】
次に動作について説明する。
上記した実施の形態１５の光伝送装置では、レンズホルダ移動装置１０４及びレンズホルダ１０１により集光レンズ８の位置を移動させ、その結果光ファイバ９より集束性設定機構１８で指定した集束性を持つレーザビームを光ファイバ９から外部へ出射させていたが、図に示すこの実施の形態１６の光伝送装置では、光ファイバホルダ移動装置１０５及び光ファイバホルダ１０２によりファイバ９の入射端面の位置を移動させ、その結果集束性設定機構１８で指定した集束性を持つレーザビームを光ファイバ９から出射させる。
【０１３４】
以上のように、この実施の形態１６においては、集光レンズ８と光ファイバ９の入射端面の両方の位置をレーザレンズホルダ１０１および光ファイバホルダ移動装置１０５により移動させることによって、光ファイバ９から出射するビームの集束性を制御できる。
【０１３５】
実施の形態１７．
図２０は、この発明の実施の形態１７に係る固体レーザ装置を示す断面構成図である。同図において、１は全反射ミラー（レーザ共振器）、２は部分反射コーティングが施された出力ミラー（レーザ共振器）、３は活性固体媒質を含む固体素子で、ヤグレーザを例にとれば活性固体媒質としてＮｄをドーピングしたＮｄ：ＹＡＧ（Yttrium Aluminium Garnet）、４は光源であって、例えばアークランプで形成されている。５は光源４を点灯する電源、６は光源４の集光器であって、例えば断面形状が楕円状で内面は光反射面より構成されている。７は全反射ミラー１、部分反射ミラー２で構成されたレーザ共振器内に発生したレーザ光、１００はレーザ共振器を搭載する基台である。その他の構成要素９、１０１、１０２は図１に示した光伝送装置の構成要素と同一なのでその説明は省略する。
【０１３６】
次に動作について説明する。
光源４と固体素子３は内面が光源４に対して反射体、例えば白色セラミックで構成された集光器６の中に収納配置される。電源５で点灯された光源４からの光が投光され、投光された光は、直接もしくは集光器６内で反射された後、間接的に固体素子３に導かれる。固体素子３に導かれた光の一部は固体素子３内に吸収され、固体素子３を励起してレーザ媒質となる。レーザ媒質より発生された自然放出光は全反射ミラー１と部分反射ミラー２で構成されるレーザ共振器内を往復する間に増幅されてレーザ光７となり、所定値以上の大きさに達するとビームウェイスト径がφ₀ 、ビーム開き角が２θのレーザビーム７０としてレーザ共振器の外部に放出される。外部へ取り出されたレーザビーム７０は、集光レンズ８により、光ファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径がφ_s ±５０％の範囲内のレーザビーム７０となるように集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。
【０１３７】
なお、上記説明では出力ミラー２を平面あるいは両面の曲率の絶対値が等しいメカニズム構造、すなわちレンズとしてのパワーを持たない構造として説明したが、出力ミラー２の透過特性が焦点距離ｆのレンズと同様の特性を持ち、かつビームウェイストがレーザ共振器内にある場合は、光ファイバ９の入射端面での基準ビーム直径の計算に用いるφ₀ またはθの値を焦点距離ｆとビームウェイストの出力ミラーからの距離から計算して修正する必要がある。修正については簡単な幾何光学計算により行うことができ、一般的に公知の事項なのでここではその説明を省略する。
【０１３８】
以上のように、この実施の形態１７においては、レーザ発振器で増幅されたレーザ光７の集束性を保持したままレーザビーム７０を光ファイバ９内を通じて伝送し、外部へ出力できる固体レーザ装置を得ることができる。
【０１３９】
実施の形態１８．
図２１は、この発明の実施の形態１８に係る固体レーザ装置を示す断面構成図である。図において、図２０に示す実施の形態１７の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、２１は集光レンズ、２２は部分反射ミラー、１０６は部分反射ミラー移動させるための部分反射ミラー移動装置（移動手段）、１０７は集光レンズを移動させるための集光レンズ移動装置（移動手段）である。ここで、集光レンズ２１と部分反射ミラー２２は像転写光学系を構成している。すなわち、集光レンズ２１の焦点距離ｆ_r と部分反射ミラー２２の曲率半径を同じ値に設定し、両者間の距離を２ｆ_r （１＋△）としている。この像転写光学系においては△の値によって全体として非常に広い曲率の可変範囲をもつ可変曲率ミラーとして機能する。
【０１４０】
次に動作について説明する。
集光レンズ２１及び部分反射ミラー２２の微細な位置調整によってレーザビーム７０のビームウェイスト位置およびビーム開き角を広い範囲にわたって調節することができる。
【０１４１】
以上のように、この実施の形態１８においては、光ファイバ９の入射端面近傍に最小集光点を持ち、そのビーム直径がφ_s ±５０％の範囲となるようなレーザビームを容易に調節できる。また、レーザ光７の出力を調整するために光源４への電気入力を変化させたときに生じる固体素子３内での活性固体媒質の熱レンズの変化に対しても対応でき、上記のレーザビーム７０の光ファイバ９への入射条件を保つことができる。
【０１４２】
図２２は、この発明の実施の形態１９に係る固体レーザ装置を示す断面構成図である。図において、図２１に示す実施の形態１８の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。この実施の形態１９の固体レーザ装置では、実施の形態１８の固体レーザ装置像転写光学系に加えて、図１６に示す実施の形態１４の光伝送装置内のアパーチャ１７およびパワーセンサ１６１を構成要素に加えている。
【０１４３】
次に動作について説明する。
図における固体レーザ装置では、光ファイバ９から出射されたレーザビームを受けて、出射レーザビームのパワーを計測するパワーセンサ１６１からの出力に基づいて集光レンズ２１と部分反射ミラー２２の片方もしくは両方の位置を調整する。
【０１４４】
以上のように、この実施の形態１９においては、実際に光ファイバ９の出射端から出射されたレーザビームの集束性をパワーセンサ１６１でモニタしながらレーザ共振器の調整を行うことができ、固体媒質の熱レンズ変化に対応してもビームウェイスト位置、ビーム直径の調整をより確実に、また自動的に行うことができる。また、光ファイバ９からの出射レーザビームの集束性が常時モニタできる効果がある。
【０１４５】
実施の形態２０．
図２３は、この発明の実施の形態２０に係る固体レーザ装置を示す断面構成図である。図において、図２０に示す実施の形態１７の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１９は開口直径を外部から調節できる開口可変アパーチャ、２０はレーザ光７の出力の設定を行う出力設定機構であり、例えばボリューム、回転スイッチ、あるいはディジタル入力機器等のいずれかで構成されている。開口可変アパーチャ１９はレーザ共振器の内部に設置されている。
【０１４６】
次に動作について説明する。
この実施の形態２０の固体レーザ装置において、集光レンズ８の焦点距離および位置は、最大出力のレーザビーム７０を得るための条件の電気入力に対し、レーザビーム７０が光ファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ち、その直径がφ_s ±５０％の範囲となるように設定されている。レーザビーム７０の出力の調節は、出力設定機構２０の指示に従って機械的あるいは電気的に開口可変アパーチャ１９の開口径を調節することによって行う。この際、光源４への電気入力の変化はないので、固体素子の熱レンズ効果は不変であり、共振器の光学的な条件はアパーチャ１９によるレーザビームの外縁の遮蔽のみである。この結果、レーザビームのビームウェイストの位置も変化しない。アパーチャ１９の開口直径の変化によってレーザビーム７０の出力、ビーム径、Ｍ² 値、ビーム開き角は変化するが、一方ビームウェイストの位置とミラーの曲率は変化しない。この条件下ではビーム径、ビーム開き角がいずれもＭ² 値の平方根に比例することが知られている。また、集光レンズ８により集光レンズ８の左側のビームウェイストでの像を光ファイバ９の入射端近傍へ結像しているので、ビームウェイストの位置が変わらなければ、結像位置も倍率も変わらない。よって、光ファイバ９の入射端近傍でのレーザビーム７０のビームウェイスト径はＭ² 値の平方根に比例する。一方、φ_s もＭ² 値の平方根に比例する。したがって、アパーチャ１９の開口直径の変化でレーザビームのパワー調整をした場合、レーザビーム７０は必ず光ファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ち、その直径はφ_s ±５０％の範囲となる。
【０１４７】
以上のように、この実施の形態２０においては、図に示すように簡単な構成でどのようなパワーを有するレーザビームに対しても集束性を保ったまま光ファイバ９内を通じて外部へ伝送できる。なお、この実施の形態２０の固体レーザ装置では、従来型の共振器を用いた構成について説明したが、共振器内部に像転写光学系を含んだ固体レーザに適用してもよく同様の効果を得ることができる。
【０１４８】
実施の形態２１．
図２４は、この発明の実施の形態２１に係る固体レーザ装置を示す構成断面図である。図において、図２１に示す実施の形態１８の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、１９１は像転写光学系を構成する集光レンズ２１と部分反射ミラー２２との間に配置されたアパーチャ、１０８はアパーチャ１９１を光軸方向に移動させるアパーチャ移動装置（調節手段）である。集光レンズ８の焦点距離、位置は最大出力のレーザビームを取り出す条件の電気入力に対し、レーザビームが、光ファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径がφ_s ±５０％の範囲となるように設定している。
【０１４９】
次に動作について説明する。
この実施の形態２１の固体レーザ装置において、レーザビーム７０の出力の調節は、出力設定機構２０の指示に従って、アパーチャ移動装置１０８によりアパーチャ１９１を光ファイバ９の光軸方向に移動してレーザ光７の外縁を遮断して行う。
【０１５０】
以上のように、この実施の形態２１においては、前述した実施の形態２０の固体レーザ装置と同様に、光源４へ供給される電気入力は変化しないので、固体素子の熱レンズ効果は不変であり、実施の形態２０の固体レーザ装置と同様、どのような出力のレーザビームに対しても集束性を保ったまま光ファイバ９内を通じて外部へ伝送できる。なお、この実施の形態２１の固体レーザ装置は、共振器内部に像転写光学系を含んだ共振器について説明したが、従来型の共振器で構成される固体レーザに適用してもよく同様の効果を得ることができる。
【０１５１】
実施の形態２２．
図２５は、この発明の実施の形態２２に係る固体レーザ装置を示す構成断面図である。図において、図２０に示す実施の形態１７の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図の固体レーザ装置において、光源４と固体素子３は内面が光源４に体して反射体、例えば白色セラミックで構成された集光器６の中に配置されている。
【０１５２】
次に動作について説明する。
電源５からの電圧の供給により点灯された光源４から光が投光され、投光された光は、直接もしくは集光器６内で反射後間接的に固体素子３に導かれる。固体素子３に導かれた光の一部は固体素子３内に吸収され、固体素子３を励起してレーザ媒質となる。レーザ媒質より発生された自然放出光は全反射ミラー１と部分反射ミラー２で構成されるレーザ共振器間を往復する間に増幅されてレーザ光７となり、所定値以上の大きさに達するとビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角２θのレーザビーム７０としてレーザ共振器の外部に放出される。外部へ取り出されたレーザビーム７０は、集光レンズ８によってファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径がφ_s ±５０％の範囲となるように集光される。光ファイバホルダ移動装置１０５、光ファイバホルダ１０１は、集束性設定機構１８で指定した値に従いあらかじめ求めてあるずれ量と出射レーザビーム集束性の関係に基づいて光ファイバ９の入射端面の位置を移動させ、その結果光ファイバ９より集束性設定機構１８で指定された集束性を持つレーザビームを外部へ出射させる。
【０１５３】
以上のように、この実施の形態２２においては、光ファイバ９から出射される出射レーザビームの集束性を容易に変化させることができ、溶接、切断など用途に応じて最適なパワーを有するレーザビームを出射する固体レーザ装置を得ることができる。なお、この実施の形態２２の固体レーザ装置では、光ファイバホルダ移動装置１０５により光ファイバ９の入射端面の位置を移動させたが、集光レンズホルダ移動装置を設けて集光レンズ８の位置を移動させても良く、同様の効果を得ることができる。また、この実施の形態２２の固体レーザ装置では、従来型の共振器について説明したが、共振器内部に像転写光学系や、パワー調整のためのアパーチャを組み込んだ固体レーザ装置に使用してもよく、この場合も同様の効果を得ることができる。
【０１５４】
実施の形態２３．
図２６は、この発明の実施の形態２３に係る固体レーザ装置を示す構成図である。図において、図２５に示す実施の形態２２の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図の固体レーザ装置において、レーザ共振器を構成する全反射ミラー１と出力ミラー２は、同じ曲率を持ち、固体素子３が共振器のほぼ中央に位置するいわゆる対称型共振器として構成されている。光源４と固体素子３は内面が光源４に対して反射体、例えば白色セラミックで構成された集光器６の中に配置される。
【０１５５】
次に動作について説明する。
電源５から電圧が供給されて点灯された光源４からの光が投光され、投光された光は、直接もしくは集光器６内で反射後間接的に固体素子３に導かれる。固体素子３に導かれた光の一部は固体素子３内に吸収され、固体素子３を励起してレーザ媒質と変える。このレーザ媒質より発生された自然放出光は全反射ミラー１と部分反射ミラー２で構成されるレーザ共振器間を往復する間に増幅されてレーザ光７となり、所定値以上の大きさに達するとビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角２θのレーザビーム７０としてレーザ共振器の外部に放出される。この構成を有する共振器では非常に安定なレーザ発振が可能であるが、レーザ出力レベルによってビームウェイスト径、ビーム開き角が大きく変化するという特性も有する。その結果、φ₀ θの値も大きく変化し、これに比例するＭ² 値も大きく変化する。
【０１５６】
図２７は、ある対称型共振器構成における入射ビームとレーザ出力と出射レーザビームのＭ² 値との関係を示す説明図である。図において、レーザ出力とＭ² 値との間係は細線で示されている。レーザ出力が小さいほどＭ² 値の小さなレーザビームが発生している。これから明らかなように、それぞれの出力レベルによって高輝度ビームファイバ伝播のための入射ビーム直径が異なる。
【０１５７】
以上のように、この実施の形態２３においては、最大のＭ² 値での３００Ｗ出力におけるφ₀ θを基準として、外部へ取り出されたレーザビーム７０が集光レンズ８によって光ファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ち、その直径が
（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2 ±５０％
となるように集光し、他の出力レベルにおいても光学系を移動させずにレーザビーム７０をそのまま伝播させる。
【０１５８】
図の固体レーザ装置によると、レーザ出力３００Ｗ時以外ではビーム直径等の変化によりファイバ伝描後のＭ² 値が増加するが、もともとのビームのＭ² 値が３００Ｗ時より小さいため、レーザ出力によるＭ² 値の変化量がむしろ縮小され、レーザビームの出力が変化した場合であっても集束性の変化が少ないレーザビームを出射する固体レーザ装置を得ることができる。
【０１５９】
図２７の説明図内での太線は、細線で示されるビームを３００Ｗ時のφ₀ θに合わせてレーザビームの入射ビーム径を調整してファイバ９内を伝播させた実験結果を示している。図によると、入射ビームのＭ² 値の変化が５から２１なのに対し、出射ビームのＭ² 値が１５から２２となっている。よって、実際にレーザビームの出力が変化しても集束性の変化が少ないレーザビームを出射する固体レーザ装置を得ることができる。
【０１６０】
実施の形態２４．
図２８は、この発明の実施の形態２４に係る固体レーザ装置を示す構成図であり、（ｂ）は（ａ）の平面図である。図において、図２５、２６に示す実施の形態２２、２３の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図の固体レーザ装置において、固体素子３は、薄板状のいわゆるスラブレーザ媒質で構成されている。スラブレーザ媒質は厚み方向（以下ｙ方向）と幅方向（以下ｘ方向）で大きさが異なるため、通常の球面レンズで共振器を構成すると、ｘ方向でのφ_0xθx とｙ方向でのφ_0yθy との値が大きく異なる。また、集光レンズとして、シリンドリカルレンズ８４、８５を用いている。
【０１６１】
次に動作について説明する。
図に示すこの実施の形態２４では、シリンドリカルレンズ８４、８５を用いてｘ方向とｙ方向を独立に集光させる。すなわち、外部へ取り出されたレーザビーム７０を、ｘ方向に関してはシリンドリカルレンズ８４によってファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径が
（φ_c φ_0xθ_x （２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2 ±５０％
ｙ方向に関してはシリンドリカルレンズ８５によってファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径が
（φ_c φ_0yθ_y （２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2 ±５０％
となるようにレーザビーム７０を集光する。
【０１６２】
以上のように、この実施の形態２４においては、光ファイバ９から出射される出射レーザビームのＭ² 値は光ファイバ９に入射される入射レーザビームのｘ方向のＭ² 値とｙ方向のＭ² 値との間の値をとり、ｘ方向とｙ方向で集光性能が異なる発振器に対しファイバ９内を伝播後も全体として集光性能が保存されたレーザビームを出射する固体レーザ装置を得ることができる。さらにまた、ファイバ伝播の過程でビームの異方性が改善されるという効果も併せてもつ。
【０１６３】
実施の形態２５．
図２９は、この発明の実施の形態２５に係る固体レーザ装置を示す構成図である。図２９の（ｂ）は（ａ）の平面図である。図において、図２５、２６、２８に示す実施の形態２２、２３、２４の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図の固体レーザ装置において、固体素子３はスラブレーザ媒質で構成されており、またレーザ共振器は、ｘ方向については安定型、ｙ方向については一次元不安定型のいわゆるハイブリッド共振器として構成されている。また、集光レンズはシリンドリカルレンズ８４，８５で構成されている。
【０１６４】
次に動作について説明する。
図の固体レーザ装置内で用いられている共振器では、原理的に集光性能の優れたレーザビームを発生される。一般には、不安定型共振器の方が集光性能の良いレーザビームを得やすいが、ｘ方向でのφ_0xθ_x とｙ方向でのφ_0yθ_y と値が大きく異なりその関係はφ_0xθ_x ＜φ_0yθ_y となる。この実施の形態２５の固体レーザ装置においても、前記した実施の形態２４の固体レーザ装置と同様に、シリンドリカルレンズ８４、８５を用いてレーザビーム７０のｘ方向とｙ方向を独立に集光させる。すなわち、外部へ取り出されたレーザビーム７０を、ｘ方向に関してはシリンドリカルレンズ８４によってファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径が
（φ_c φ_0xθ_x （２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2 ±５０％
ｙ方向に関してはシリンドリカルレンズ８５によってファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径が
（φ_c φ_0yθ_y （２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2 ±５０％
となるように集光する。
【０１６５】
以上のように、この実施の形態２５においては、前述した実施の形態２３、２４の固体レーザ装置と同様、光ファイバ９から出射される出射レーザビームのＭ² 値は、光ファイバ９に入射される入射レーザビームのｘ方向のＭ² 値とｙ方向のＭ² 値との間の値をとり、光ファイバ９内を伝播後も集光性能の優れたレーザビームを出射する固体レーザ装置を得ることができる。
【０１６６】
実施の形態２６．
図３０は、この発明の実施の形態２６に係る固体レーザ装置を示す構成図である。図３０の（ｂ）は（ａ）の平面図である。図において、図２５、２６、２８、２９に示す実施の形態２２、２３、２４、２５の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、固体素子３はスラブレーザ媒質で構成され、レーザ共振器はハイブリッド共振器として構成されている。集光レンズ８は通常の球面レンズで構成されている。
【０１６７】
次に動作について説明する。
レーザビーム７０の光ファイバ９の入射端への集光は通常の集光レンズ８で行う。そして、ｙ方向に関してファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ち、最小集光点の直径が
（φ_c φ_0yθ_y （２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2 ±５０％
となるようにレーザビーム７０を集光する。一方、Ｘ方向については最小集光点の位置、最小集光点の直径が最適値からかなりずれることが予想される。しかしながらこの実施の形態２６の固体レーザ装置内の共振器は、φ_0xθ_x ＜φ_0yθ_y の関係を有し、出射レーザビームのＭ² 値は、入射レーザビームのｘ方向のＭ² 値とｙ方向のＭ² 値との間の値をとる。したがって、ｘ方向についての最小集光点の位置、最小集光点の直径が少々最適値からずれた場合であっても、光ファイバ９から出射される出射レーザビームのＭ² 値はｙ方向の入射ビームのＭ² 値程以下となり、その結果、全体として優れた集光性能を保存したまま光ファイバ９内の伝播が可能である。
【０１６８】
以上のように、この実施の形態２６においては、ｘ方向とｙ方向で集光性能が異なる発振器を用いた場合であっても、図に示したように非常に簡単なレンズ構成で、光ファイバ９内の伝播後も全体として集光性能が大きく損なわれないレーザビームを出射できる固体レーザ装置を得ることができる。さらにまた、光ファイバ９内の伝播過程でレーザビームの異方性が改善されるという効果も有する。
【０１６９】
実施の形態２７．
図３１は、この発明の実施の形態２７に係るレーザ加工装置を示す構成図である。図において、図１に示す実施の形態１の光伝送装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、２３は集光レンズ（集光光学系）、８００は被加工物、８１０は加工ノズル、８２０は加工ガスの導入口である。
【０１７０】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角２θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８により光ファイバ９の入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径に集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。このレーザ光は集光レンズ２３によりさらに集光され、この集光されたレーザビームを用いて被加工物８００はレーザ加工される。
【０１７１】
以上のように、この実施の形態２７においては、光ファイバ９から出射する集束性の保たれたレーザビームをさらに集光レンズ２３で集光しているので、被加工物８００の切断、溶接等において、きわめて高精度なレーザ加工が可能である。
【０１７２】
なお、この実施の形態２７のレーザ加工装置の説明においては、図１に示した実施の形態１に係る光伝送装置を用いたが、図４に示した実施の形態２に係る光伝送装置、から図１６に示した実施の形態１４に係る光伝送装置、ならびに図２０に示した実施の形態１７に係る固体レーザ装置から図２４に示した実施の形態２１に係る固体レーザ装置を用いた場合にも同様の効果を得ることができる。
【０１７３】
実施の形態２８．
図３２は、この発明の実施の形態２８に係るレーザ加工装置を示す断面構成図である。図において、図２５に示す実施の形態２２の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、光源４と固体素子３は、内面が光源４に体して反射体、例えば白色セラミックで構成された集光器６の中に配置される。
【０１７４】
次に動作について説明する。
電源５からの電圧の供給により点灯された光源４から光が投光され、投光された光は、直接もしくは集光器６内で反射後間接的に固体素子３に導かれる。固体素子３に導かれた光の一部は固体素子３に吸収され、固体素子３を励起してレーザ媒質となる。レーザ媒質より発生された自然放出光は全反射ミラー１と部分反射ミラー２で構成されるレーザ共振器間を往復する間に増幅されてレーザ光７となり、所定値以上の大きさに達するとビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角２θのレーザビーム７０としてレーザ共振器の外部に放出される。外部へ放出されたレーザビーム７０は集光レンズ８によって光ファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ち、その直径がφ_s ±５０％の範囲となるように集光される。集束性設定機構１８で指定した値に従って、あらかじめ設定されているずれ量と出射レーザビーム集束性との関係に基づいて、光ファイバ９の入射端面の位置を光ファイバホルダ移動装置１０５、光ファイバホルダ１０２により移動させる。その結果、光ファイバ９より集束性設定機構１８で指定した集束性を持つレーザビームを出射させる。このレーザビームは集光レンズ２３によりさらに集光され、この集光されたレーザビームを用いて被加工物８００のレーザ加工を行なう。
【０１７５】
以上のように、この実施の形態２８においては、光ファイバ９によるレーザビーム７０の伝送を、集束性を保った状態から集束性を変化させた状態に故意に変えることが可能なので、容易に出射ビームの集束性を変化させることができ、溶接、切断などにおいて、高精度なレーザ加工、広い面積の加工等が自由に選択可能であり、用途に応じて最適な出射ビームを容易に得ることができる。
【０１７６】
なお、この実施の形態２８のレーザ加工装置の説明においては、図２５に示した実施の形態２２に係る固体レーザ装置を用いたが、図１７に示した実施の形態１５に係る光伝送装置または図１９に示した実施の形態１６に係る光伝送装置を用いた場合にも同様の効果を得ることができる。
【０１７７】
実施の形態２９．
図３３は、この発明の実施の形態２９に係るレーザ加工装置を示す構成図である。図において、図１に示す実施の形態１の光伝送装置および図３１に示す実施の形態２７のレーザ加工装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。
【０１７８】
次に動作について説明する。
レーザ発振器１０から出射されたビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角２θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８から光ファイバ入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、その後光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。図においては、この比から出射されたレーザビームを集光せずに、そのまま直接に被加工物８００に照射しレーザ加工を行なう。
【０１７９】
以上のように、この実施の形態２９においては、光ファイバ９によるレーザビームの伝送が集束性を保ったまま行なわれるので、光ファイバ９の出射端から出射されるレーザビームの開き角が従来に比較して小さく、例えばレーザ焼き入れなどの比較的照射面積の大きなレーザ加工であれば、図３１、３２に示した実施の形態２７、２８での集光レンズ２３を用いることなしに、図に示すように非常に簡単な構成で行うことができる。
【０１８０】
なお、この実施の形態２９においては、図１に示した実施の形態１に係る光伝送装置を用いて説明を行ったが、図４に示した実施の形態２の光伝送装置から図１９に示した実施の形態１６に係る光伝送装置を用いた場合にも同様の効果を得ることができる。図４に示した実施の形態２の光伝送装置を用いた場合、ビーム開き角２θを持つレーザビーム７０は、集光レンズ８からアパーチャ１１を介して光ファイバ９の入射端面でφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φinに集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送されし、図３３に示す様に光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。
【０１８１】
実施の形態３０．
図３４は、この発明の実施の形態３０に係るレーザ加工装置を示す構成断面図である。図において、図２０に示す実施の形態１７の固体レーザ装置の説明で用いられている番号と同一の番号は同一の構成要素を示し、ここではその説明を省略する。図において、光源４と固体素子３は内面が光源４に対して反射体、例えば白色セラミックで構成された集光器６の中に配置されている。
【０１８２】
次に動作について説明する。
電源５からの電圧の供給により点灯された光源４からの光が投光され、投光された光は、直接もしくは集光器６内で反射後間接的に固体素子３に導かれる。固体素子３に導かれた光の一部は固体素子３に吸収され、固体素子３は励起されレーザ媒質となる。レーザ媒質より発生された自然放出光はミラー１と２で構成されるレーザ共振器間を往復する間に増幅されてレーザ光７となり、所定値以上の大きさに達するとビームウェイスト径φ₀ 、ビーム開き角２θのレーザビーム７０としてレーザ共振器の外部に放出される。外部へ取り出されたレーザビーム７０は集光レンズ８によって光ファイバ９の入射端面のごく近傍に最小集光点を持ち、その直径がφ_s ±５０％の範囲のビーム直径φ_inを有するレーザビーム７０に集光され、光ファイバ９内を集束性を保ったまま伝送され、光ファイバ９の出射端より外部へ出力される。この光ファイバ９から出射されたレーザビームを集光せずにそのまま直接の被加工物に照射、加工物のレーザ加工を行なう。
【０１８３】
以上のように、この実施の形態３０においては、光ファイバ９によるレーザビームの伝送が集束性を保ったまま行なわれるので、光ファイバ９の出射端から出射されるレーザビームの開き角が従来に比較して小さく、例えばレーザ焼き入れなどの比較的照射面積の大きなレーザ加工が図３４に示されるように非常に簡単な構成で実行できる。なお、この実施の形態３０のレーザ加工装置においては、図２０に示した実施の形態１７に係る固体レーザ装置を用いて説明を行ったが、図２１に示した実施の形態１８に係る固体レーザ装置から図２５に示した実施の形態２２に係る固体レーザ装置を用いた場合にも同様の効果を得ることができる。
【０１８４】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の発明によれば、光ファイバをグレーデッドインデックス光ファイバで構成し、光ファイバのコア径φ_c 、コア中心での屈折率ｎ₀ 、コア中心とコア周囲部の屈折率差△ｎ、レーザ光のビームウェイストでの直径φ₀ 、レーザ光のビーム開き角２θである時、レーザ光が光ファイバの入射端面上または光ファイバ入射端面近傍に最小集光点を持ち、最小集光点での直径φ_inが
０．５φ_s ≦φ_in≦１．５φ_s
ただし、
φ_s ＝（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ Δｎ）^-1/2）^1/2
となるようなファイバ入射光学系を備えたので、レーザ共振器で発生された高集束性のレーザビームを集束性のレベルの減少なく光ファイバの出射端から出射できる効果がある。
【０１８５】
請求項２記載の発明によれば、レーザ光の波長をλとした時に、πθφ₀ ／λの値が１００以下となるように設定されるので、集束性のレベルが低下することなく光ファイバの出射端からレーザビームを出射できる効果がある。
【０１８６】
請求項３記載の発明によれば、光ファイバの入射端近傍にアパーチャを設置したので、光ファイバの入射端付近の不要な場所へのレーザ照射を防止でき、光ファイバを保護できる効果がある。
【０１８７】
請求項４記載の発明によれば、光ファイバの出射端近傍にアパーチャを設置したので、出射側で反射される反射ビームがクラッド等に照射されるのをアパーチャにより防止でき、反射ビームの影響を最小限にとどめ、光ファイバを保護できる効果がある。
【０１８８】
請求項５記載の発明によれば、二枚もしくは二組の集光レンズを用いてファイバ入射光学系を構成したので、レーザ光のビーム特性に合わせて光ファイバ入射端面でのビーム直径を容易に調整することができる効果がある。
【０１８９】
請求項６記載の発明によれば、集光レンズの１つとしてグレーデッドインデックスレンズを用い、光ファイバの近接位置に配置したので、グレーデッドインデックスレンズの位置を少し調整することにより、広い範囲のレーザビームのビーム特性に合わせながら、光ファイバの入射端面でのビーム直径を容易に調整することができ、様々な応用が可能となる効果がある。
【０１９０】
請求項７記載の発明によれば、グレーデッドインデックスレンズの入射端近傍にアパーチャを設置したので、このアパーチャによりグレーデッドインデックスレンズならびに光ファイバの入射端面周辺への思わぬレーザ光照射を防止でき、これらを保護できる効果がある。
【０１９１】
請求項８記載の発明によれば、入射ビームモニタ装置と集光レンズのための移動手段を設置したので、レーザビームの最適な集光を自動的にできる効果がある。
【０１９２】
請求項９記載の発明によれば、出射ビームモニタ装置と集光レンズための移動手段を設置したので、レーザビームの最適な集光を自動的にできるとともに出射ビームの集束性を常時モニタでき、装置の状態を随時監視できる効果がある。
【０１９３】
請求項１０記載の発明によれば、光ファイバの入射側に設置したアパーチャと出射側に設置したパワーセンサとで出射ビームモニタ装置を構成したので、非常に簡単な構成でレーザビームの自動的な最適集光が可能となる効果がある。
【０１９４】
請求項１１記載の発明によれば、光ファイバの出射側の光軸よりずれた位置に設置したフォトダイオードにより出射ビームモニタ装置を構成したので、レーザビームの自動的な最適集光が可能となり、装置の状態を随時監視できる効果がある。
【０１９５】
請求項１２記載の発明によれば、光ファイバの出射側に設置したアパーチャとパワーセンサにより出射ビームモニタ装置を構成したので、非常に簡単な構成でレーザビームの最適な集光を自動的に行うことができ、出射ビームの集束性を常時モニタできる効果がある。
【０１９６】
請求項１３記載の発明によれば、集光レンズと光ファイバの入射端面の片方もしくは両方の位置を移動させる移動手段を設置して双方の位置関係を最適な集光位置に移動できるようにしたので、集束性を任意に変化できる光伝送装置を容易に得られる効果がある。
【０１９７】
請求項１４記載の発明によれば、レーザ媒質となる固体素子、レーザ共振器及びこの発明の光伝送装置により固体レーザ装置を構成し、さらにレーザ共振器内にミラーと集光レンズからなる像転写光学系、及びそれらの移動手段を備えたので、共振器内部の像転写光学系により高集束性を持つビームを発振すると同時に、光ファイバの入射端面のビーム直径をφ_s ±５０％の範囲となるように容易に調整可能であり、高集束性のレーザビームを得ることができる効果がある。
【０１９８】
請求項１５記載の発明によれば、光ファイバからの出射ビームを計測するモニタ装置を備えたのでレーザ共振器のレーザ光の集束性のレベルを自動調整でき、これにより集束性のレベルを保持したまま光ファイバ伝送を行うことができる効果がある。
【０１９９】
請求項１６記載の発明によれば、レーザ共振器内にアパーチャならびにアパーチャ開口直径の調節手段を設けたので、レーザ光学系を調節することなくあらゆるレーザ出力の要求に対し常にレーザ光の集束性のレベルを保ったまま光ファイバを介してレーザ光を出射できる効果がある。
【０２００】
請求項１７記載の発明によれば、レーザ共振器内にアパーチャならびにアパーチャの光軸方向の移動手段を設けたので、レーザ光学系を調節することなくあらゆるレーザ出力の要求に対し常にレーザ光の集束性を保ったまま光ファイバを介してレーザ光を出射できる効果がある。
【０２０１】
請求項１８記載の発明によれば、対称型共振器において外部へ取り出されたレーザ光を、φ₀ θの大きな出力レベルにおいてファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径が
（φ _c φ ₀ θ（２ｎ ₀ △ｎ） ^-1/2 ） ^1/2
となるように集光したので、レーザ出力が変化しても集束性の変化が少ないレーザビームを出射できる固体レーザ装置を得られる効果がある。
【０２０２】
請求項１９記載の発明によれば、固体素子３がスラブレーザ媒質で構成され、外部へ取り出されたレーザ光を、ｘ方向とｙ方向で独立に集光し、それぞれファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ちその直径が
（φ _c φ _0x θ _x （２ｎ ₀ △ｎ） ^-1/2 ） ^1/2
（φ _c φ _0y θ _y （２ｎ ₀ △ｎ） ^-1/2 ） ^1/2
となるように集光したので、ｘ方向とｙ方向で集光性能が異なるレーザ発振器に対しファイバ伝播後も全体として集光性能が保存されたレーザビームを出射できる固体レーザ装置を得ることができる効果がある。
【０２０３】
請求項２０記載の発明によれば、固体素子３がスラブレーザ媒質で構成され、φ₀ θの大きい方向に関してファイバ入射端面のごく近傍に最小集光点を持ち、最小集光点の直径が
（φ _c φ ₀ θ（２ｎ ₀ △ｎ） ^-1/2 ） ^1/2
となるように集光したので、ｘ方向とｙ方向で集光性能が異なる発振器に対し非常に簡単なレンズ構成で、ファイバ伝播後も全体として集光性能が大きく損なわれないレーザビームを出射できる固体レーザ装置を得ることができる効果がある。
【０２０４】
請求項２１記載の発明によれば、この発明の光伝送装置または固体レーザ装置から出射されたレーザ光を、さらに集光するための集光光学系で集光し被加工物に照射しレーザ加工を行なうようにしたので、光ファイバ伝送を行ったにも関わらず極めて高精度のレーザ加工ができる効果がある。
【０２０５】
請求項２２記載の発明によれば、この発明の光伝送装置または固体レーザ装置から出射されたレーザ光を直接被加工物に照射しレーザ加工を行なうようにしたので、集光レンズなしの非常に簡単な構成でレーザ焼き入れ等の加工が可能である効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による光伝送装置を示す構成図である。
【図２】 グレーデッドインデックス光ファイバ内でのレーザビームの伝播状況を示す説明図である。
【図３】 集光レンズの焦点距離を変化させて出射ビームのＭ² 値（Ｍ² _out）を測定した実験結果を示す説明図である。
【図４】 この発明の実施の形態２による光伝送装置を示す構成図である。
【図５】 この発明の実施の形態３による光伝送装置を示す構成図である。
【図６】 この発明の実施の形態４による光伝送装置を示す構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態５による光伝送装置を示す構成図である。
【図８】 この発明の実施の形態６による光伝送装置を示す構成図である。
【図９】 この発明の実施の形態７による光伝送装置を示す構成図である。
【図１０】 この発明の実施の形態８による光伝送装置を示す構成図である。
【図１１】 この発明の実施の形態９による光伝送装置を示す構成図である。
【図１２】 この発明の実施の形態１０による光伝送装置を示す構成図である。
【図１３】 この発明の実施の形態１１による光伝送装置を示す構成図である。
【図１４】 この発明の実施の形態１２による光伝送装置を示す構成図である。
【図１５】 この発明の実施の形態１３による光伝送装置を示す構成図である。
【図１６】 この発明の実施の形態１４による光伝送装置を示す構成図である。
【図１７】 この発明の実施の形態１５による光伝送装置を示す構成図である。
【図１８】 グレーデッドインデックス光ファイバにおける光ファイバ入射端でのレーザビームの位置ずれと出射ビームの集束値との関係を示す説明図である。
【図１９】 この発明の実施の形態１６による光伝送装置を示す構成図である。
【図２０】 この発明の実施の形態１７による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図２１】 この発明の実施の形態１８による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図２２】 この発明の実施の形態１９による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図２３】 この発明の実施の形態２０による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図２４】 この発明の実施の形態２１による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図２５】 この発明の実施の形態２２による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図２６】 この発明の実施の形態２３による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図２７】 図２６に示す実施の形態２３における入射ビームと出射ビームのＭ² 値との関係を示す説明図である。
【図２８】 この発明の実施の形態２４による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図２９】 この発明の実施の形態２５による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図３０】 この発明の実施の形態２６による固体レーザ装置を示す構成図である。
【図３１】 この発明の実施の形態２７によるレーザ加工装置を示す構成図である。
【図３２】 この発明の実施の形態２８によるレーザ加工装置を示す構成図である。
【図３３】 この発明の実施の形態２９によるレーザ加工装置を示す構成図である。
【図３４】 この発明の実施の形態３０によるレーザ加工装置を示す構成図である。
【図３５】 従来の光伝送装置を示す構成図である。
【図３６】 レーザビームの集束性の指標Ｍ² を示す説明図である。
【図３７】 光ファイバへの入射角と出射角との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 全反射ミラー（レーザ共振器）、２ 出力ミラー（レーザ共振器）、３ 固体素子、４ 光源、７ レーザ光、８、８１、８２ 集光レンズ（光ファイバ入射光学系）、９ 光ファイバ（グレーデッドインデックス光ファイバ）、１０ レーザ発振器、１１，１２，１３，１７，１９１ アパーチャ、１５ 入射ビームモニタ装置、１６ 出射ビームモニタ装置、２０ 出力設定機構（調節手段）、２１ 集光レンズ（像転写光学系）、２２ 部分反射ミラー（像転写光学系）、２３ 集光レンズ（集光光学系）、７０ レーザビーム、８３ グレーデッドインデックスレンズ、８４、８５ シリンドリカルレンズ（光ファイバ入射光学系）、１０４ レンズホルダ移動装置（移動手段）、１０５ 光ファイバホルダ移動装置（移動手段）、１０６ 部分反射ミラー移動装置（移動手段）、１０７ 集光レンズ移動装置（移動手段）、１０８ アパーチャ移動装置（調節手段）、１６１ パワーセンサ、１６２ フォトダイオード、８００ 被加工物。

Claims (22)

1. グレーデッドインデックス光ファイバから構成され、前記光ファイバのコア径がφ_c 、コア中心での屈折率がｎ₀ 、コア中心とコア周囲部の屈折率差が△ｎの光ファイバと、レーザ光のビームウェイストでの直径がφ₀、前記レーザ光のビーム開き角が２θである時、前記レーザ光が前記光ファイバの入射端面上または前記光ファイバの入射端面近傍に最小集光点を持ち、前記最小集光点での直径φ_inが
   ０．５φ_s ≦φ_in≦１．５φ_s
   ただし、
   φ_s ＝（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ Δｎ）^-1/2）^1/2
   となるような光ファイバ入射光学系とを備えたマルチモードレーザビームを用いたレーザ光を光ファイバで伝送する光伝送装置。
2. レーザ光の波長をλとした時に、前記レーザ光の集束性πθφ₀ ／λの値が１００以下となることを特徴とする請求項１記載の光伝送装置。
3. 光ファイバの入射端面近傍に、開口部の直径が光ファイバのコア径φ_c よりも小さく、かつφ_s よりも大きな値を有するアパーチャを備えたことを特徴とする請求項１から請求項２のうちのいずれか１項記載の光伝送装置。
4. 光ファイバの出射端面近傍に、開口部の直径が光ファイバのコア径φ_c よりも小さく、かつφ_s よりも大きな値を有するアパーチャを備えたことを特徴とする請求項１から請求項２のうちのいずれか１項記載の光伝送装置。
5. 光ファイバ入射光学系は集光レンズを有しており、前記集光レンズは二枚または二組の集光レンズにより構成されたことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の光伝送装置。
6. 光ファイバに近接している側の集光レンズはグレーデッドインデックスレンズから構成されており、前記グレーデッドインデックスレンズを前記光ファイバに近接または密着して設置したことを特徴とする請求項５記載の光伝送装置。
7. グレーデッドインデックスレンズの入射端近傍にアパーチャを備えたことを特徴とする請求項６記載の光伝送装置。
8. 光ファイバのレーザ光入射端面でのレーザビームの大きさを計測する入射ビームモニタ装置、及び光ファイバ入射光学系の位置を移動させる移動手段をさらに備え、前記入射ビームモニタ装置からの出力をもとに前記光ファイバ入射光学系の位置を調整することを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の光伝送装置。
9. 光ファイバからの出射ビームを計測する出射ビームモニタ装置、及び光ファイバ入射光学系の位置を移動させる移動手段をさらに備え、前記出射ビームモニタ装置からの出力をもとに前記光ファイバ入射光学系の位置を調整することを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の光伝送装置。
10. 出射ビームモニタ装置はパワーセンサにより構成され、光ファイバの入射端面近傍にアパーチャを設置し、前記パワーセンサで検知されるレーザビームの出力が最大になるようにファイバ入射光学系を移動することを特徴とする請求項９記載の光伝送装置。
11. 出射ビームモニタ装置は、光ファイバの出射側の光軸からずれた位置に設置したフォトダイオードで構成され、前記フォトダイオードの出力が最小になるようにファイバ入射光学系を移動することを特徴とする請求項９記載の光伝送装置。
12. 出射ビームモニタ装置は、光ファイバの出射側に設置したアパーチャと前記アパーチャを通過したレーザビームを検知するパワーセンサにより構成され、前記アパーチャを通過するレーザビームのパワーが最大になるようにファイバ入射光学系を移動することを特徴とする請求項９記載の光伝送装置。
13. レーザ光を発振するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光する集光レンズと、前記集光レンズで収束された前記レーザ光を光ファイバの入射端面に集光し、前記光ファイバで伝送する光ファイバ入射光学系を有する光伝送装置において、前記光ファイバはグレーデッドインデックス光ファイバから構成され、さらに前記光ファイバ入射光学系と前記光ファイバの入射端面の片方または両方の位置を移動させる移動手段を備え、前記光ファイバ入射光学系と前記光ファイバの入射端面の片方または両方の位置を移動させることによって前記光ファイバから出射するレーザビームの集束性を制御することを特徴とする請求項１から請求項１２のうちのいずれか１項記載の光伝送装置。
14. 請求項１から請求項１３のうちのいずれか１項記載の光伝送装置と、光源から投光された光で励起されてレーザ媒質となり、光を発生する固体素子と、前記レーザ媒質から発生した光をレーザ光として取り出すレーザ共振器と、前記レーザ共振器内に少なくともミラーと集光レンズとの組み合わせで構成される像転写光学系と、前記ミラーと前記集光レンズとを前記レーザ共振器の光軸方向に移動させる移動手段とを備え、前記ミラーと前記集光レンズの片方または両方を移動することにより前記光ファイバの入射端面に入射されるレーザビームのビーム直径を調節することを特徴とする固体レーザ装置。
15. 光ファイバから出射される出射レーザビームのパワーの大きさを計測する出射ビームモニタ装置をさらに備え、前記出射ビームモニタ装置からの出力をもとにミラーと集光レンズの片方または両方を移動することを特徴とする請求項１４記載の固体レーザ装置。
16. 請求項１から請求項１３のうちのいずれか１項記載の光伝送装置と、光源から投光された光で励起されてレーザ媒質となり、光を発生する固体素子と、前記レーザ媒質から発生された光をレーザ光として取り出すレーザ共振器と、前記レーザ共振器内に置かれたアパーチャ及び前記アパーチャの開口部の直径を増減する調節手段とから構成され、前記固体素子を励起するためのレーザ励起入力を一定に保ったままで、前記アパーチャの開口直径を増減することにより、前記レーザ光のパワーを調節することを特徴とする固体レーザ装置。
17. 請求項１から請求項１３のうちのいずれか１項記載の光伝送装置と、光源から投光された光で励起されてレーザ媒質となり、光を発生する固体素子と、前記レーザ媒質から発生した光をレーザ光として取り出すレーザ共振器と、該レーザ共振器内に置かれたアパーチャ及び該アパーチャをレーザ共振器の光軸方向に移動させる移動手段とから構成され、前記レーザ共振器内でレーザ励起入力一定のままで、前記アパーチャの位置を移動することにより前記レーザ光のパワーを調節することを特徴とする固体レーザ装置。
18. 光源から投光された光で励起されてレーザ媒質となり、光を発生する固体素子と、前記レーザ媒質から発生した光をレーザ光として取り出すレーザ共振器と、前記レーザ光としてマルチモードレーザビームを用い、前記レーザ光を伝送する光ファイバとからなる光伝送装置を備えた固体レーザ装置において、前記光ファイバは、コア径φ_c 、コア中心での屈折率がｎ₀ で、前記コア中心とコア周囲部の屈折率差が△ｎのグレーデッドインデックス光ファイバから構成されており、前記レーザ共振器は曲率の等しい全反射ミラーと出力ミラーとから構成され、 前記固体素子は、前記全反射ミラーと前記出力ミラー間の中心近傍に配置されたいわゆる対称型共振器内に置かれ、ある出力レベルにおける前記レーザ光のビームウェイストの直径がφ_c 、前記レーザ光のビーム開き角が２θである時、前記レーザ光が前記光ファイバの入射端面上あるいはそのごく近傍に最小集光点を持ち、前記最小集光点での前記出力レベルでのレーザ光の直径φ_inが
    ０．５φ_s ≦φ_in≦１．５φ_s
    ただし、
    φ_s ＝（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2
    となるようなファイバ入射光学系を備えていることを特徴とする固体レーザ装置。
19. 光源から投光された光で励起されてレーザ媒質となり、光を発生する固体素子と、前記レーザ媒質から発生した光をレーザ光として取り出すレーザ共振器と、前記レーザ光を伝送する光ファイバとから成る光伝送装置とを備えた固体レーザ装置において、前記光ファイバは、コア径φ_c 、コア中心での屈折率がｎ₀ でコア中心とコア周囲部の屈折率差が△ｎのグレーデッドインデックス光ファイバから構成され、前記固体素子は、薄板状のスラブ形状で構成され、前記レーザ共振器から取り出されたレーザ光は、ｘ軸ｙ軸２つの方向で集光特性の異なる異方性を持っており、ｘ軸方向ｙ軸方向のそれぞれにおいて前記レーザ光のビームウェイストの直径がφ_0x、φ_0y、前記レーザ光のビーム開き角が２θ_x 、２θ_y である時、前記レーザ光が前記光ファイバの入射端面上あるいはそのごく近傍にｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれにおいて最小集光点を持ち、前記最小集光点での直径φ_inx 、φ_iny がそれぞれ
    ０．５φ_sx≦φ_inx ≦１．５φ_sx、０．５φ_sy≦φ_iny ≦１．５φ_sy
    ただし、
    φ_sx＝（φ_c φ_0xθ_x （２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2
    φ_sy＝（φ_c φ_0yθ_y （２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2
    となるようなファイバ入射光学系を備えたことを特徴とする固体レーザ装置。
20. 光源から投光された光で励起されてレーザ媒質となり、光を発生する固体素子と、前記レーザ媒質から発生した光をレーザ光として取り出すレーザ共振器と、前記レーザ光を伝送する光ファイバから成る光伝送装置を備えた固体レーザ装置において、前記光ファイバは、コア径φ_c 、コア中心での屈祈率がｎ₀ でコア中心とコア周囲部の屈折率差が△ｎのグレーデッドインデックス光ファイバから構成され、前記固体素子は、薄板状のいわゆるスラブ形状で構成され、前記レーザ共振器から取り出された前記レーザ光がｘ軸ｙ軸の２つの方向で集光特性の異なる異方性を持っており、ｘ軸方向ｙ軸方向のそれぞれにおいて、前記レーザ光のビームウェイストの直径がφ_0x、φ_0y、前記レーザ光のビーム開き角が２θ_x 、２θ_y である時、前記レーザ光は、光ファイバ入射端面上あるいはそのごく近傍に最小集光点を持ち、φ_0xθ_x とφ_0yθ_y の大きな方の軸の前記最小集光点での直径φ_inが
    ０．５φ_S ≦φ_in≦１．５φ_S
    ただし、
    φ_S ＝（φ_c φ₀ θ（２ｎ₀ △ｎ）^-1/2）^1/2
    ただし、
    φ₀ θ＝ MAX（φ_0xθ _x 、φ_0yθ_y ）
    となるようなファイバ入射光学系を備えていることを特徴とする固体レーザ装置。
21. 請求項１から請求項１３のうちのいずれか１項記載の光伝送装置、または請求項１４から請求項２０のうちのいずれか１項記載の固体レーザ装置と、前記光伝送装置または前記固体レーザ装置から出射されたレーザ光を集光する集光光学系とから構成され、前記集光光学系で集光された前記レーザ光を被加工物に照射し、レーザ加工を行なうことを特徴とするレーザ加工装置。
22. 請求項１から請求項１３のうちのいずれか１項記載の光伝送装置、または請求項１４から請求項２０のうちのいずれか１項記載の固体レーザ装置から構成され、前記光伝送装置または前記固体レーザ装置から出射されたレーザ光を被加工物に直接照射しレーザ加工を行なうことを特徴とするレーザ加工装置。

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